Los nucleidos cosmogénicos (o isótopos cosmogénicos ) son nucleidos ( isótopos ) raros que se crean cuando un rayo cósmico de alta energía interactúa con el núcleo de un átomo del Sistema Solar in situ , lo que hace que los nucleones (protones y neutrones) sean expulsados del átomo (ver rayos cósmicos). espalación ). Estos núclidos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo , en la atmósfera terrestre y en elementos extraterrestres como meteoritos . Midiendo los nucleidos cosmogénicos, los científicos son capaces de obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos . Hay nucleidos cosmogénicos radiactivos y estables . Algunos de estos radionucleidos son el tritio , el carbono 14 y el fósforo 32 .
Se cree que ciertos nucleidos primordiales ligeros (de bajo número atómico) (algunos isótopos de litio , berilio y boro ) se crearon no solo durante el Big Bang , sino que también (y quizás principalmente) se hicieron después del Big Bang, sino antes. la condensación del Sistema Solar, por el proceso de espalación de rayos cósmicos en gas y polvo interestelares. Esto explica su mayor abundancia de rayos cósmicos en comparación con sus proporciones y abundancias de ciertos otros nucleidos en la Tierra. Esto también explica la sobreabundancia de los primeros metales de transición justo antes del hierro en la tabla periódica; la espalación del hierro por rayos cósmicos produce escandio a través del cromo por un lado y helio por el boro por el otro. [1] Sin embargo, la calificación arbitraria para definir los nucleidos cosmogénicos de formarse "in situ en el Sistema Solar" (es decir, dentro de una pieza ya agregada del Sistema Solar) previene los nucleidos primordiales formados por la espalación de rayos cósmicos antes de la formación del El sistema se denomine "nucleidos cosmogénicos", aunque el mecanismo para su formación es exactamente el mismo. Estos mismos núclidos todavía llegan a la Tierra en pequeñas cantidades en rayos cósmicos y se forman en los meteoroides, en la atmósfera, en la Tierra, "cosmogénicamente". Sin embargo, el berilio (todo el berilio estable-9) está presente [ cita requerida ] primordialmente en el Sistema Solar en cantidades mucho mayores, habiendo existido antes de la condensación del Sistema Solar y, por lo tanto, presente en los materiales a partir de los cuales el Sistema Solar formado.
Para hacer la distinción de otra manera, el momento de su formación determina qué subconjunto de nucleidos producidos por espalación de rayos cósmicos se denominan primordiales o cosmogénicos (un nucleido no puede pertenecer a ambas clases). Por convención, se cree que ciertos núclidos estables de litio, berilio y boro [1] se produjeron por espalación de rayos cósmicos en el período de tiempo entre el Big Bang y la formación del Sistema Solar (por lo que estos núclidos primordiales , por definición) no se denominan "cosmogénicos", a pesar de que fueron [ cita requerida ] formados por el mismo proceso que los nucleidos cosmogénicos (aunque en una época anterior). El nucleido primordial berilio-9, el único isótopo estable de berilio, es un ejemplo de este tipo de nucleido.
En contraste, a pesar de que los isótopos radiactivos berilio-7 y berilio-10 caen en esta serie de tres elementos ligeros (litio, berilio, boro) formados principalmente [ cita requerida ] por nucleosíntesis de espalación de rayos cósmicos , ambos nucleidos tienen vidas medias también. abreviatura de que se hayan formado antes de la formación del Sistema Solar y, por lo tanto, no pueden ser nucleidos primordiales. Dado que la ruta de espalación de los rayos cósmicos es la única fuente posible [ cita requerida ] de presencia natural de berilio-7 y berilio-10 en el medio ambiente, son por lo tanto cosmogénicos.
Nuclidos cosmogénicos
Aquí hay una lista de radioisótopos formados por la acción de los rayos cósmicos ; la lista también contiene el modo de producción del isótopo. [2] La mayoría de los nucleidos cosmogénicos se forman en la atmósfera, pero algunos se forman in situ en el suelo y la roca expuestos a los rayos cósmicos, en particular el calcio-41 en la siguiente tabla.
Isótopo | Modo de formación | media vida |
---|---|---|
3 H (tritio) | 14 N (n, 12 C) T | 12,3 años |
7 ser | Espalación (N y O) | 53,2 días |
10 ser | Espalación (N y O) | 1.387.000 años |
12 B | Espalación (N y O) | |
11 C | Espalación (N y O) | 20,3 min |
14 C | 14 N (n, p) 14 C | 5.730 años |
18 F | 18 O (p, n) 18 F y espalación (Ar) | 110 min |
22 Na | Espalación (Ar) | 2,6 años |
24 Na | Espalación (Ar) | 15 h |
27 mg | Espalación (Ar) | |
28 mg | Espalación (Ar) | 20,9 horas |
26 Al | Espalación (Ar) | 717.000 años |
31 Si | Espalación (Ar) | 157 min |
32 Si | Espalación (Ar) | 153 años |
32 P | Espalación (Ar) | 14,3 días |
34m Cl | Espalación (Ar) | 34 min |
35 S | Espalación (Ar) | 87,5 días |
36 cl | 35 Cl (n, γ) 36 Cl | 301.000 años |
37 Ar | 37 Cl (p, n) 37 Ar | 35 días |
38 Cl | Espalación (Ar) | 37 min |
39 Ar | 40 Ar (n, 2n) 39 Ar | 269 años |
39 Cl | 40 Ar (n, np) 39 Cl y espalación (Ar) | 56 min |
41 Ar | 40 Ar (n, γ) 41 Ar | 110 min |
41 Ca | 40 Ca (n, γ) 41 Ca | 102.000 años |
45 Ca | Espalación (Fe) | |
47 Ca | Espalación (Fe) | |
44 Sc | Espalación (Fe) | |
46 Sc | Espalación (Fe) | |
47 Sc | Espalación (Fe) | |
48 Sc | Espalación (Fe) | |
44 Ti | Espalación (Fe) | |
45 Ti | Espalación (Fe) | |
81 Kr | 80 Kr (n, γ) 81 Kr | 229.000 años |
95 Tc | 95 Mo (p, n) 95 Tc | |
96 Tc | 96 Mo (p, n) 96 Tc | |
97 Tc | 97 Mo (p, n) 97 Tc | |
97m Tc | 97 Mo (p, n) 97m Tc | |
98 Tc | 98 Mo (p, n) 98 Tc | |
99 Tc | Espalación (Xe) | |
129 Yo | Espalación (Xe) | 15,700,000 años |
182 Yb | Espalación (Pb) | |
182 Lu | Espalación (Pb) | |
183 Lu | Espalación (Pb) | |
182 Hf | Espalación (Pb) | |
183 Hf | Espalación (Pb) | |
184 Hf | Espalación (Pb) | |
185 Hf | Espalación (Pb) | |
186 Hf | Espalación (Pb) | |
185 W | Espalación (Pb) | |
187 W | Espalación (Pb) | |
188 W | Espalación (Pb) | |
189 W | Espalación (Pb) | |
190 W | Espalación (Pb) | |
188 Re | Espalación (Pb) | |
189 Re | Espalación (Pb) | |
190 Re | Espalación (Pb) | |
191 Re | Espalación (Pb) | |
192 Re | Espalación (Pb) | |
191 Os | Espalación (Pb) | |
193 Os | Espalación (Pb) | |
194 Os | Espalación (Pb) | |
195 Os | Espalación (Pb) | |
196 Os | Espalación (Pb) | |
192 Ir | Espalación (Pb) | |
194 Ir | Espalación (Pb) | |
195 Ir | Espalación (Pb) | |
196 Ir | Espalación (Pb) |
Aplicaciones en geología enumeradas por isótopo
elemento | masa | vida media (años) | aplicación tipica |
---|---|---|---|
berilio | 10 | 1.387.000 | datación por exposición de rocas, suelos, núcleos de hielo |
aluminio | 26 | 720.000 | datación por exposición de rocas, sedimentos |
cloro | 36 | 308.000 | datación por exposición de rocas, trazador de aguas subterráneas |
calcio | 41 | 103.000 | datación por exposición de rocas carbonatadas |
yodo | 129 | 15,700,000 | trazador de aguas subterráneas |
carbón | 14 | 5730 | datación por radiocarbono |
azufre | 35 | 0,24 | tiempos de residencia del agua |
sodio | 22 | 2.6 | tiempos de residencia del agua |
tritio | 3 | 12.32 | tiempos de residencia del agua |
argón | 39 | 269 | trazador de aguas subterráneas |
criptón | 81 | 229.000 | trazador de aguas subterráneas |
Uso en geocronología
Como se ve en la tabla anterior, hay una amplia variedad de nucleidos cosmogénicos útiles que se pueden medir en el suelo, las rocas, el agua subterránea y la atmósfera. Todos estos nucleidos comparten la característica común de estar ausentes en el material huésped en el momento de la formación. Estos nucleidos son químicamente distintos y se dividen en dos categorías. Los nucleidos de interés son gases nobles que, debido a su comportamiento inerte, no están intrínsecamente atrapados en un mineral cristalizado o tienen una vida media lo suficientemente corta donde se ha descompuesto desde la nucleosíntesis, pero una vida media lo suficientemente larga cuando ha acumulado concentraciones mensurables. . El primero incluye la medición de abundancias de 81 Kr y 39 Ar, mientras que el segundo incluye la medición de abundancias de 10 Be, 14 C y 26 Al.
Pueden ocurrir 3 tipos de reacciones de rayos cósmicos una vez que un rayo cósmico incide en la materia que a su vez produce los nucleidos cosmogénicos medidos. [3]
- espalación de rayos cósmicos, que es la reacción más común en la superficie cercana (típicamente de 0 a 60 cm por debajo) de la Tierra y puede crear partículas secundarias que pueden causar una reacción adicional al interactuar con otros núcleos llamada cascada de colisión .
- la captura de muones penetra a profundidades unos pocos metros por debajo del subsuelo, ya que los muones son inherentemente menos reactivos y, en algunos casos, los muones de alta energía pueden alcanzar profundidades mayores [4]
- captura de neutrones que, debido a la baja energía del neutrón, son capturados en un núcleo, más comúnmente por el agua, pero que dependen en gran medida de la nieve, la humedad del suelo y las concentraciones de oligoelementos.
Correcciones por flujos de rayos cósmicos
Dado que la Tierra sobresale en el ecuador y las montañas y las fosas oceánicas profundas permiten desviaciones de varios kilómetros con respecto a un esferoide uniformemente liso, los rayos cósmicos bombardean la superficie de la Tierra de manera desigual según la latitud y la altitud. Por lo tanto, se deben comprender muchas consideraciones geográficas y geológicas para poder determinar con precisión el flujo de rayos cósmicos. La presión atmosférica , por ejemplo, que varía con la altitud puede cambiar la tasa de producción de nucleidos dentro de los minerales en un factor de 30 entre el nivel del mar y la cima de una montaña de 5 km de altura. Incluso las variaciones en la pendiente del suelo pueden afectar hasta qué punto los muones de alta energía pueden penetrar en el subsuelo. [5] La intensidad del campo geomagnético, que varía con el tiempo, afecta la tasa de producción de nucleidos cosmogénicos, aunque algunos modelos asumen que las variaciones de la intensidad del campo se promedian a lo largo del tiempo geológico y no siempre se consideran.
Referencias
- ↑ a b Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . pag. 13-15. ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ SCOPE 50 - Radioecology after Chernobyl Archivado el 13 de mayo de 2014 en Wayback Machine , el Comité Científico de Problemas del Medio Ambiente (SCOPE), 1993. Ver tabla 1.9 en la Sección 1.4.5.2.
- ^ Lal, D .; Peters, B. (1967). "Radiactividad producida por rayos cósmicos en la tierra". Kosmische Strahlung II / Rayos cósmicos II . Handbuch der Physik / Enciclopedia de física. 9/46 / 2. págs. 551–612. doi : 10.1007 / 978-3-642-46079-1_7 . ISBN 978-3-642-46081-4.
- ^ Heisinger, B .; Lal, D .; Jull, AJT; Kubik, P .; Ivy-Ochs, S .; Knie, K .; Nolte, E. (30 de junio de 2002). "Producción de radionúclidos cosmogénicos seleccionados por muones: 2. Captura de muones negativos". Letras de Ciencias de la Tierra y Planetarias . 200 (3): 357–369. Bibcode : 2002E y PSL.200..357H . doi : 10.1016 / S0012-821X (02) 00641-6 .
- ^ Dunne, Jeff; Elmore, David; Muzikar, Paul (1 de febrero de 1999). "Factores de escala para las tasas de producción de nucleidos cosmogénicos para apantallamiento geométrico y atenuación en profundidad en superficies inclinadas". Geomorfología . 27 (1): 3-11. Bibcode : 1999Geomo..27 .... 3D . doi : 10.1016 / S0169-555X (98) 00086-5 .