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GEOQUÍMICA ISOTÓPICA
Bibliografía
Faure, G., Principles of Isotope Geology, 2nd edition, John Wiley &
Sons, New York, 589 pp., 1986.
Faure, G. y Mansing, T., Isotopes. Principles and Applications, 3rd
edition, John Wiley & Sons, New York, 897 pp., 2005.
Faure, G., Origin of Igneous Rocks. The Isotopic Evidence,
Springer, Berlin, 494 pp., 2001.
Dickin, A. P., Radiogenic Isotope Geology, Cambridge Univ. Press,
490 pp., 1995.
Geyh, M. A. y Schleicher, H., Absolute Age Determination,
Springer, Berlin, 503 pp., 1990.
White, W.M., Isotope Geochemistry,
http://www.geo.cornell.edu/geology/classes/GEO656.HTML
GEOQUÍMICA ISOTÓPICA
Tiene realación con:
ASTROFÍSICA
FÍSICA
GEOCRONOLOGÍA
CIENCIAS
COMPOSICIÓN DEL MANTO Y DE LA
CORTEZA
DE LA
GÉNESIS DE MINERALES Y ROCAS
TIERRA:
VULCANOLOGÍA
HIDROLOGÍA
MIGRACIÓN DE HIDROCARBUROS
MONITORES DE RAYOS CÓSMICOS
ARQUEOLOGÍA
HISTORIA DE LA GEOQUÍMICA ISOTÓPICA
(GEOCRONOLOGÍA)
1650: Bishop Usher (York): edad de la tierra 4004 años A.C.
Hasta 1750: CATASTROFISTAS: Todas las rocas y rasgos sobre la
superficie de la tierra provienen de fenómenos catastróficos.
1785: James Hutton: Observa la importancia de cada uno de los
fenómenos (lentos y continuos), modela la superficie de la tierra. Desarrolla
la teoría del UNIFORMITARISMO (Libro: Theory of the Earth):
Pasado
Presente
ca. 1800: Cuvier y Brogniart: Estratigrafía de la Cuenca de París con
fósiles: TERCIARIO!
1830: Charles Lyell publica el Libro “Principles of Geology”.
1862: Lord Kelvin: Estudia la luminosidad del sol, mareas de la luna,
rotación de la tierra, etc. Supone con bases científicas que la edad de la
tierra es de 100 Ma. Mas tarde en 1897: entre 20 y 40 Ma.
1896: Henri Becquerel: Descubre la radiactividad.
1898: Marie Curie: Descubre el Th, Po, Ra.
1899: Rutherford: Investiga estas sustancias radiactivas y
encuentra que están compuestas de partículas a (= 4He), b
(positivos y negativos) y g (similares a Rayos-X).
1900: Soddy y Rutherford estudian el Th y sus componentes,
además encuentran la tasa de desintegración (ACTIVIDAD):
–dN/ dt = lN (l = constante de decaimiento; t = tiempo; N =
número de átomos radiactivos presentes)
1912: Bohr propone el modelo atómico 1H.
1914: Richard y Lambert: Descubren que los pesos atómicos no
son números enteros e introducen el término isótopo.
1919: Rutherford encuentra que el núcleo del átomo tiene protones
(p+).
1914: Aston diseña un ESPECTRÓGRAFO de masas y determina 212 de
los 287 isótopos que ocurren en la naturaleza y calcula la masa se cada
uno de estos elementos.
1940: Nier calcula la composición isotópica del Pb, basado en el
decaimiento radiactivo de U-Th. Además, diseña un ESPECTRÓMETRO
de masas y establece las bases para el método de K-Ar.
OTROS PUNTOS IMPORTANTES
1903: Marie y Pierre Curie descubren que el decaimiento radiactivo es un
proceso exotérmico. Afecta tasas de calor en la tierra > Premio Nobel de
Física. Los halos pleocroicos (p.ej. en micas) son resultado de daños por
radiación.
1913: Holmes determina la edad del Arqueano en 1,300 Ma.
1931: Urey descubre el 2H= D (Deuterio) a partir de la diferencia de
presiones de vapor en el hidrógeno. También descubre que el O sufre un
fraccionamiento natural en carbonatos marinos.
LOS ELEMENTOS QUÍMICOS ESTÁN FORMADOS
DE ÁTOMOS CON:
Protones (+)
Neutrones (+/-)
Electrones (-)
En donde:
N= # de neutrones
Z= # protones (# atómico)
A= masa atómica (suma de N+Z; # masa)
Tipos de Núclidos
Isótopo: Núclido que contiene el mismo número de protones
(Z), pero diferente número de neutrones (N). Mismo elemento!!
Isótono: Contiene el mismo número de neutrones (N) y diferente
número de protones (Z).
Diferentes elementos!!
Isóbaro: Igual # masa (A), diferentes números de protones (Z)
y neutrones (N).
Diferentes elementos!!
Ejemplo de notación para un isótopo de neón:
21
A
Ne
= X
Z
10
=
N+Z
Z
X
Número de protones (Z)
ISÓTOPOS
ISÓTONOS
ISÓBAROS
Número de neutrones (N)
Abundancia de los elementos:
H y He > mas abundantes
Li y Be > extremadamente baja
Fe
> muy abundante
Pb
> mas alto de lo esperado
U
> elemento poco abundante
Z=84-89 > baja, productos del decaí(Po-Ac) miento de U y Th
Efecto Oddo-Harkins
Tabla de núclidos
- total ca. 2500 núclidos
- solamente 270 (ca. 10%) núclidos estables (campos
negros)
- distribución de los núclidos estables:
A
Z
N
par
non
non
par
par
par
non
non
par
non
par
non
total
# de núclidos estables
161
55
50
4
270
# Z y/o N mágicos: 2, 8, 10, 20, 28, 50, 82, 126
Abundancia de los isótopos de estaño (Z = 50)
Decaimiento radiactivo
El núcleo de átomos inestables se transforma espontáneamente a una configuración mas estable con la emisión de
partículas ( a, b, g) y energía de irradiación > fenómeno de la
radiactividad.
Tipos de decaimiento:
-Beta Negativo (b -, Negatrón)
-Beta Positivo (b+ , Positrón)
-Captura de electrones
-Alfa
-Fisión espontánea
Decaimiento radiactivo - Vida Media
T1/2 = ln2/l
Geyh & Schleicher (1990)
Átomo
Diámetro de un átomo (con su capa de electrones)
ca. 10-8 cm = 1 Å (Angström).
El núcleo es 10,000 veces más pequeño y tiene un
diámetro de 10-12 hasta 10-13 cm (10-4 - 10-5 Å).
La densidad del núcleo es ca. 1014 g/cm3.
Peso atómico (ejemplo):
Isótopo Masa
Abundancia
35Cl
34.96885 x 0.7577 = 26.4958
37Cl
36.96590 x 0.2423 = 8.9568
Peso atómico
= 35.4526 amu
amu = atomic mass units
Decaimiento Beta Negativo (Negatron)
!
Z+1; N-1
1p+1e-+n+Q
1n
Un neutrón es convertido en un protón más un electrón. El electrón es
expulsado del núcleo y es lo que se conoce como una emisión b-.
Además del electrón, se emite también un antineutrino mas energía.
Núcleos con exceso de neutrones (p.ej.
Productos siempre isóbaros!!
87Rb
87Sr
14C
14N)
Decaimiento Beta Positivo (Positrón)
Z-1; N+1
1p 1n+1e++n+Q
Un protón es convertido en un neutrón más un positrón (cargado positivamente). El positrón es emitido del núcleo más un neutrino.
Núcleos con déficit de neutrones (p.ej.
Productos siempre isóbaros!!
18F
22Na
18O
22Ne)
Captura de electrones
Mecanismo alternativo al decaimiento Beta Positivo:
Un núcleo disminuye su número de protones y aumenta su número
de neutrones por medio de la captura de uno de sus electrones
extranucleares (capa K con preferencia, pero también L y M).
El electrón capturado se reúne con un protón + emisión de un
neutrino + energía (rayos x).
Z-1; N+1
1p+1e- n+n+Q (rayos X)
p. ej.
40K
40Ar
Productos siempre isóbaros!!
Ejemplos de decaimientos tipo Beta
Decaimiento
ramificado
Un isótopo inestable
puede decaer a
través de diferentes
mecanismos isobáricos.
P. ej. el decaimiento
del 40K por b-, b+,
y captura de electrones.
Decaimiento ramificado
Decaimiento Alfa
Z-2; N-2; A-4
El decaimiento alfa occure en núclidos pesados (Z>58(Ce)) por medio de la
emisión de un átomo de He (4He). Aquí sí existe una pérdida de masa en el
143Nd; 238U
234Th
núcleo, la cual es equivalente a 4. P.ej. 147Sm
Productos: isótopos de diferentes elementos!!
Series de decaimiento del 238U
245 ka
4.5 Ga
80 ka
1600 a
3.8 d
22.3 a
Fisión espontánea
También artificial!!
Ocurre en núcleos pesados. Se generan dos núcleos asimétricos con
diferentes valores de Z (A entre 30 (Zn) y 65 (Te) más neutrones y partículas
alfa + energía. Los productos tienen exceso de N. Este mecanismo de
decaimiento libera neutrones por lo que propicia reacciones en cadena.
Fisión artificial
U tiene 3 isótopos y todos son radiactivos:
238U = 99.275%; 235U = 0.720%; 234U = 0.005%.
235U con 92 protones y 143 neutrones (non!) se puede
fisionar por neutrones térmicos, 238U no.
Para el uso en elementos de combustión en reactores
nucleares (o bombas atómicas) hay que enriquecer el 235U
hasta 3%.
Distribución de los
productos de fisión
del 235U.
Trazas por fisión en
un zircón con una
edad de 300 Ma.
Autoradiografía de hongos
de Alemania después del
accidente de Chernobyl en
1986 (exposición: 84 días).
137Cs
Radiación Ionizante
Poder de penetración (energía)
Papel
Ionización
0.1 mm
+
+
Alfa a (+)
Acrílico
1 mm
-
Beta b (-)
Plomo
100-300 mm
Gama g
137Cs
Medición de radiométricas
la Radiación
Unidades
Gama
Alfa
Actividad (A)
(Becquerel Bq
Bq)) Numero de
desintegraciones por segundo
3.7x1010 Bq = 1 curie
((b
b) actividad = 0.10 Ci
(0.10 Ci) (3.7x1010 Bq )
actividad = 3 700 000 000 Bq
90Sr
Dosis Absorbida (D)
(Gray Gy
Gy)) Dosis de Energía
antes rad
rad..
Dosis Equivalente (H)
(Sievert Sv
Sv)) = 1J/kg
1J/kg
Factor de ponderación
dependiente del tipo de
radiación, antes rem
rem..
Efectos biológicos
H= D•Q
137Cs
Exposición anual en mSv
Permitido (Alemania) : 2.4 mSv/a
externa
Radiación cósmica
300
núcl. cosmogénicos
radionucl. primordiales:
40K
120
Serie del 238U:
238U-226Ra
222Ra-214Po
90
210Pb-210Po
Serie del 232 Th
140
total
650
interna
15
180
30
1100
130
240
1700
total
300
15
300
1350
380
2400