Nuclido cosmogénico
Los nucleidos cosmogénicos (o isótopos cosmogénicos ) son nucleidos raros ( isótopos ) creados 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 espalación de rayos cósmicos ). Estos nucleidos se producen dentro de materiales de la Tierra como rocas o suelo , en la atmósfera de la Tierra y en elementos extraterrestres como meteoroides . Al medir los nucleidos cosmogénicos, los científicos pueden obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos . Hay nucleidos cosmogénicos tanto radiactivos como 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) (isótopos de litio , berilio y boro ) se crearon no solo durante el Big Bang , sino también (y quizás principalmente) después del Big Bang, pero antes de la condensación del Sistema Solar, mediante el proceso de espalación de rayos cósmicos en el gas y el polvo interestelares. Esto explica su mayor abundancia en el polvo cósmico en comparación con su abundancia 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 a través del boro por el otro. [1] Sin embargo, la calificación arbitraria que define a los nucleidos cosmogénicos de formarse "in situ en el Sistema Solar" (es decir, dentro de una parte ya agregada del Sistema Solar) impide que los nucleidos primordiales formados por espalación de rayos cósmicos antes de la formación del Sistema Solar se denominen "nucleidos cosmogénicos", aunque el mecanismo para su formación es exactamente el mismo. Estos mismos nucleidos siguen llegando a la Tierra en pequeñas cantidades en los rayos cósmicos y se forman en meteoroides, en la atmósfera, en la Tierra, "cosmogénicamente". Sin embargo, el berilio ( todo él berilio-9 estable) está presente [2] 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 se formó el Sistema Solar.
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 nucleidos estables de litio, berilio y boro se produjeron por espalación de rayos cósmicos en el período de tiempo entre el Big Bang y la formación del Sistema Solar (lo que hace que estos nucleidos primordiales , por definición) no se denominen "cosmogénicos", a pesar de que se formaron por el mismo proceso que los nucleidos cosmogénicos (aunque en un momento anterior). [1] [3] El nucleido primordial berilio-9, el único isótopo estable del berilio, es un ejemplo de este tipo de nucleido.
Por el contrario, aunque los isótopos radiactivos berilio-7 y berilio-10 pertenecen a esta serie de tres elementos ligeros (litio, berilio, boro) formados principalmente por nucleosíntesis por espalación de rayos cósmicos , ambos nucleidos tienen vidas medias demasiado cortas (53 días y aproximadamente 1,4 millones de años, respectivamente) para 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 rayos cósmicos es la única fuente posible de ocurrencia natural del berilio-7 y el berilio-10 en el medio ambiente, son por lo tanto cosmogénicos.
Nuclidos cosmogénicos
A continuación se presenta una lista de radioisótopos formados por la acción de los rayos cósmicos ; la lista también contiene el modo de producción del isótopo. [4] 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 tabla siguiente.
| Isótopo | Modo de formación | vida media |
|---|---|---|
| 3 H (tritio) | 14 N(n, 12 C)T | 12,3 años |
| 7 Sé | Espalación (N y O) | 53,2 días |
| 10 Sé | Espalación (N y O) | 1.387.000 años |
| 11 C | Espalación (N y O) | 20,3 minutos |
| 14 C | 14 N(n,p) 14 C | 5.730 años |
| 18 F | 18 O(p,n) 18 F y espalación (Ar) | 110 minutos |
| 22 de noviembre | Espalación (Ar) | 2,6 años |
| 24 de noviembre | Espalación (Ar) | 15 horas |
| 28 mg | Espalación (Ar) | 20,9 horas |
| 26 Al | Espalación (Ar) | 717.000 años |
| 31 Sí | Espalación (Ar) | 157 minutos |
| 32 Sí | Espalación (Ar) | 153 años |
| 32 P | Espalación (Ar) | 14,3 días |
| 33 P | Espalación (Ar) | 25,3 días |
| 34mCl | Espalación (Ar) | 34 minutos |
| 35 S | Espalación (Ar) | 87,5 días |
| 36 cl | 35Cl (n,γ ) 36Cl | 301.000 años |
| 37 Ar | 37Cl (p,n ) 37Ar | 35 días |
| 38 cl | Espalación (Ar) | 37 minutos |
| 39 Ar | 40Ar (n,2n ) 39Ar | 269 años |
| 39 cl | 40 Ar (n, np) 39 Cl y espalación (Ar) | 56 minutos |
| 41 Ar | 40Ar (n,γ ) 41Ar | 110 minutos |
| 41 Ca | 40 Ca(n,γ) 41 Ca | 102.000 años |
| 81 coronas | 80Kr (n,γ ) 81Kr | 229.000 años |
| 129 yo | Espalación (Xe) | 15.700.000 años |
Aplicaciones en geología enumeradas por isótopo
| elemento | masa | vida media (años) | aplicación típica |
|---|---|---|---|
| berilio | 10 | 1.387.000 | Datación por exposición de rocas, suelos y núcleos de hielo. |
| aluminio | 26 | 720.000 | Datación por exposición de rocas y 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, existe una amplia variedad de nucleidos cosmogénicos útiles que se pueden medir en el suelo, las rocas, las aguas subterráneas y la atmósfera. [5] 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 atrapados inherentemente en un mineral cristalizado o tienen una vida media lo suficientemente corta como para haberse desintegrado desde la nucleosíntesis , pero una vida media lo suficientemente larga como para haber 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 tres tipos de reacciones de rayos cósmicos cuando un rayo cósmico impacta la materia, las cuales a su vez producen los nucleidos cosmogénicos medidos. [6]
- espalación de rayos cósmicos , que es la reacción más común en la superficie cercana (normalmente 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 .
- captura de muones , que se extiende a profundidades de unos pocos metros por debajo del subsuelo porque los muones son inherentemente menos reactivos; en algunos casos, los muones de alta energía pueden alcanzar mayores profundidades [7]
- captura de neutrones , que debido a su baja energía son capturados en un núcleo, más comúnmente por el agua, [ aclaración necesaria ] pero este proceso depende en gran medida de la nieve, la humedad del suelo y las concentraciones de oligoelementos.
Correcciones para los flujos de rayos cósmicos
Dado que la Tierra se abulta 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 en función de la latitud y la altitud. Por lo tanto, se deben comprender muchas consideraciones geográficas y geológicas para 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 terreno pueden afectar la distancia a la que los muones de alta energía pueden penetrar el subsuelo. [8] La intensidad del campo geomagnético que varía con el tiempo afecta la tasa de producción de nucleidos cosmogénicos, aunque algunos modelos suponen que las variaciones de la intensidad del campo se promedian a lo largo del tiempo geológico y no siempre se consideran.
Véase también
Referencias
- ^ ab Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . pág. 13–15. ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ "Berilio | Propiedades, usos y datos | Britannica". www.britannica.com . 2023-09-17 . Consultado el 2023-10-19 .
- ^ Sapphire Lally (24 de julio de 2021). "¿Cómo se hace el oro? Los misteriosos orígenes cósmicos de los elementos pesados". New Scientist .
- ^ SCOPE 50 - Radioecología después de Chernóbil Archivado el 13 de mayo de 2014 en Wayback Machine , Comité Científico sobre Problemas del Medio Ambiente (SCOPE), 1993. Véase la tabla 1.9 en la Sección 1.4.5.2.
- ^ Schaefer, Jörg M.; Codilean, Alexandru T.; Willenbring, Jane K.; Lu, Zheng-Tian; Keisling, Benjamín; Fülöp, Réka-H.; Val, Pedro (10 de marzo de 2022). "Técnicas de nucleidos cosmogénicos". Imprimaciones de métodos de reseñas de la naturaleza . 2 (1): 1–22. doi :10.1038/s43586-022-00096-9. ISSN 2662-8449. S2CID 247396585.
- ^ 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. vol. 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 radionucleidos cosmogénicos seleccionados por muones: 2. Captura de muones negativos". Earth and Planetary Science Letters . 200 (3): 357–369. Código Bibliográfico :2002E&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 el apantallamiento geométrico y la atenuación en profundidad en superficies inclinadas". Geomorfología . 27 (1): 3–11. Bibcode :1999Geomo..27....3D. doi :10.1016/S0169-555X(98)00086-5.
