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

GEOQUÍMICA ISOTÓPICATiene realación con:

ASTROFÍSICA

FÍSICA

CIENCIAS

DE LA

TIERRA:

GEOCRONOLOGÍA

COMPOSICIÓN DEL MANTO Y DE LA CORTEZA

GÉNESIS DE MINERALES Y ROCAS

VULCANOLOGÍA

HIDROLOGÍA

MIGRACIÓN DE HIDROCARBUROS

MONITORES DE RAYOS CÓSMICOS

ARQUEOLOGÍA

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.

HISTORIA DE LA GEOQUÍMICA ISOTÓPICA (GEOCRONOLOGÍA)

1898: Marie Curie: Descubre el Th, Po, Ra.

1899: Rutherford: Investiga estas sustancias radiactivas y encuentra que están compuestas de partículas (= 4He), (positivos y negativos) y (similares a Rayos-X).

1900: Soddy y Rutherford estudian el Th y sus componentes, además encuentran la tasa de desintegración (ACTIVIDAD):

–dN/ dt = N (= 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 unproceso 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)

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!!

Tipos de Núclidos

10

21

Z

N+Z

Z

A

Ejemplo de notación para un isótopo de neón:

Ne = X = X

ISÓTOPOS

ISÓTONOS

ISÓBAROS

Número de neutrones (N)

Núm

ero

de p

roto

nes

(Z)

Abundancia de los elementos:

H y He > mas abundantes Li y Be > extremadamente bajaFe > muy abundantePb > mas alto de lo esperadoU > elemento poco abundanteZ=84-89 > baja, productos del decaí-(Po-Ac) miento de U y Th

Efecto Oddo-Harkins

Tabla de núclidos

# Z y/o N mágicos: 2, 8, 10, 20, 28, 50, 82, 126

- total ca. 2500 núclidos- solamente 270 (ca. 10%) núclidos estables (campos

negros)- distribución de los núclidos estables:

A Z N # de núclidos estables

par par par 161non par non 55non non par 50par non non 4

total 270

Abundancia de los isótopos de estaño (Z = 50)

Decaimiento radiactivo

El núcleo de átomos inestables se transforma espontánea-mente a una configuración mas estable con la emisión de partículas ( ) y energía de irradiación > fenómeno de la radiactividad.

Tipos de decaimiento:

-Beta Negativo ( -, Negatrón)-Beta Positivo (Positrón)-Captura de electrones-Alfa-Fisión espontánea

Decaimiento radiactivo - Vida Media

T1/2 = ln2/

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 Abundancia35Cl 34.96885 x 0.7577 = 26.495837Cl 36.96590 x 0.2423 = 8.9568

Peso atómico = 35.4526 amu amu = atomic mass units

Decaimiento Beta Negativo (Negatron)

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 -. Además del electrón, se emite también un antineutrino mas energía.

Z+1; N-11n 1p+1e-++Q

14C 14N)

!

Productos siempre isóbaros!!

Núcleos con exceso de neutrones (p.ej. 87Rb 87Sr

Decaimiento Beta Positivo (Positrón)

Z-1; N+11p 1n+1e+++Q

Un protón es convertido en un neutrón más un positrón (cargado positiva-mente). El positrón es emitido del núcleo más un neutrino.

Productos siempre isóbaros!!

Núcleos con déficit de neutrones (p.ej. 18F 18O22Na 22Ne)

Captura de electrones

Z-1; N+11p+1e- n++Q

Mecanismo alternativo al decaimiento Beta Positivo:Un núcleo disminuye su número de protones y aumenta su númerode neutrones por medio de la captura de uno de sus electronesextranucleares (capa K con preferencia, pero también L y M).El electrón capturado se reúne con un protón + emisión de un neutrino + energía (rayos x).

p. ej. 40K 40Ar

(rayos X)

Productos siempre isóbaros!!

Ejemplos de decaimientos tipo Beta

Decaimientoramificado

Un isótopo inestablepuede decaer a través de diferentesmecanismos isobá-ricos.P. ej. el decaimientodel 40K por , +,y captura de elec-trones.

Decaimiento ramificado

Decaimiento Alfa

Z-2; N-2; A-4

El decaimiento alfa occure en núclidos pesados (Z>58(Ce)) por medio de laemisión de un átomo de He (4He). Aquí sí existe una pérdida de masa en el

núcleo, la cual es equivalente a 4. P.ej. 147Sm 143Nd; 238U 234Th

Productos: isótopos de diferentes elementos!!

Series de decaimiento del 238U

245 ka

80 ka

4.5 Ga

1600 a

3.8 d22.3 a

Fisión espontánea

Ocurre en núcleos pesados. Se generan dos núcleos asimétricos condiferentes 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.

También artificial!!

Fisión artificialU 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 losproductos de fisión del 235U.

Autoradiografía de hongosde Alemania después delaccidente de Chernobyl en1986 (exposición: 84 días).

137Cs

Trazas por fisión en un zircón con una edad de 300 Ma.

137Cs

RadiaciónRadiación Ionizante Ionizante

Beta (-)

Alfa (+)++

-

Gama

Poder de penetración (energía)

Papel

Acrílico

Plomo

Ionización

0.1 mm

1 mm

100-300 mm

137Cs

Actividad (A) Dosis Absorbida (D) Dosis Equivalente (H)

(Becquerel(Becquerel Bq Bq)) Numero de Numero de desintegraciones por segundodesintegraciones por segundo3.7x103.7x1010 10 BqBq = 1 curie = 1 curie

9090Sr (Sr () actividad = 0.10 Ci) actividad = 0.10 Ci(0.10 Ci) (3.7x10(0.10 Ci) (3.7x1010 10 BqBq ))actividad = 3 700 000 000 Bqactividad = 3 700 000 000 Bq

Medición de la Radiación

(Gray (Gray GyGy)) Dosis de Energía Dosis de Energía antes antes radrad..

(Sievert (Sievert SvSv) = 1J/) = 1J/kgkg Factor de ponderación Factor de ponderación dependiente del tipo de dependiente del tipo de radiación, antes radiación, antes remrem..Efectos biológicosEfectos biológicosH = D • QH = D • Q

GamaAlfa

Unidades radiométricas

externa interna totalRadiación cósmica 300 - 300núcl. cosmogénicos - 15 15radionucl. primordiales:40K 120 180 300Serie del 238U:238U-226Ra 30222Ra-214Po 90 1100 1350210Pb-210Po 130Serie del 232 Th 140 240 380total 650 1700 2400

Exposición anual en Sv

Permitido (Alemania) : 2.4 mSv/a