Nuclido cosmogénico - Cosmogenic nuclide
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 , provocando la expulsión de nucleones (protones y neutrones) del átomo (ver rayos cósmicos). espalación ). Estos nucleidos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo , en la atmósfera terrestre y en elementos extraterrestres como los meteoroides . Al medir los nucleidos cosmogénicos, los científicos pueden 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) (isótopos de litio , berilio y boro ) se crearon no solo durante el Big Bang , sino también (y quizás principalmente) que se hicieron después del Big Bang, pero antes del Big Bang. 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 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 de rayos cósmicos del hierro produce escandio a través del cromo, por un lado, y helio, a través del boro, por el otro. Sin embargo, la calificación arbitraria de definición para los nucleidos cosmogénicos de formarse "in situ en el Sistema Solar" (es decir, dentro de una pieza ya agregada del Sistema Solar) evita que los nucleidos primordiales formados por la espalación de rayos cósmicos antes de la formación del Sistema Solar se produzcan. denominados "núclidos 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 (en su totalidad berilio-9 estable) está presente 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", aunque se formaron mediante 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.
Por el contrario, aunque los isótopos radiactivos berilio-7 y berilio-10 caen en esta serie de tres elementos ligeros (litio, berilio, boro) formados principalmente por nucleosíntesis de 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 los rayos cósmicos es la única fuente posible 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. 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, T) 12 C | 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 y 208 Pb (α, 14 C) 198 Pt | 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 y espalación (Ar) | 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 | 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) | |
| 107 Pd | 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.
- 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 otro núcleo llamado cascada de colisión .
- La captura de muones penetra a profundidades de 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.
- 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. 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.