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 CIENCIAS DE LA TIERRA: Tiene 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

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+).

OTROS PUNTOS IMPORTANTES 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: Ne = X = X 10 21 Z A Z N+Z

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 # de núclidos estables par par par 161 non par non 55 non non par 50 par non non 4 total 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 espontánea- mente 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 1n 1p+1e-+n+Q 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. 87Rb 87Sr 14C 14N) Productos siempre isóbaros!!

Decaimiento Beta Positivo (Positrón) Z-1; N+1 1p 1n+1e++n+Q Un protón es convertido en un neutrón más un positrón (cargado positiva- mente). El positrón es emitido del núcleo más un neutrino. Núcleos con déficit de neutrones (p.ej. 18F 18O 22Na 22Ne) Productos siempre isóbaros!!

Captura de electrones Z-1; N+1 1p+1e- n+n+Q (rayos X) p. ej. 40K 40Ar 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 isobá- ricos. P. ej. el decaimiento del 40K por b-, b+, 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 la emisión 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 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

0.1 mm 1 mm 100-300 mm 137Cs

Unidades radiométricas 137Cs

Exposición anual en mSv Permitido (Alemania) : 2.4 mSv/a externa interna total Radiación cósmica 300 - 300 núcl. cosmogénicos - 15 15 radionucl. primordiales: 40K 120 180 300 Serie del 238U: 238U-226Ra 30 222Ra-214Po 90 1100 1350 210Pb-210Po 130 Serie del 232 Th 140 240 380 total 650 1700 2400