PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA ISOTÓPICA

Introducción

El átomo es la parte más pequeña que puede existir de un elemento. Consiste de un núcleo denso con partículas de carga positiva (protones) y partículas sin carga (neutrones), y de partículas de carga negativa (electrones) que se mueven en órbitas alrededor del núcleo. Los átomos son neutros en términos de carga eléctrica, el número de protones es igual al de electrones. Pero bajo ciertas condiciones pueden perder uno o más electrones, convirtiéndose en una partícula con carga positiva llamada catión, o bien ganar electrones, convirtiéndose en una partícula con carga negativa llamada anión.

Isótopos de un elemento

Átomos con igual número de protones pero distinto número de neutrones. Buena parte de los elementos de la tabla periódica son familias isotópicas, de hecho tan sólo se conocen 21 elementos monoisotópicos:

He, F, Na, Al, P, Se, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, y Th.

Nomenclatura isotópica

^mX_n

X: símbolo del elemento

m: número másico (número de protones + neutrones)

n: número atómico (número de protones y de orden en la tabla periódica)

Tabla 1 Algunos Isótopos de elementos químicos de especial interés en hidrología subterránea

La composición isotópica de los elementos que se encuentran en la naturaleza es casi constante, excepto en aquellos que ha producido la radiactividad natural.

Isótopos estables e Isótopos radiactivos

Los isótopos se clasifican en estables, aquellos que tienen una vida media superior a los 3000 millones de años; y radioactivos, aquellos que se desintegran emitiendo radiaciones y tienen una vida media inferior a los 3000 millones de años.

Los núcleos atómicos permanecen unidos por medio de fuerzas muy potentes y de corto alcance entre protones y neutrones. Si las fuerzas nucleares de repulsión entre protones, fuerzas de Coulomb, están compensadas por los neutrones, el isótopo es estable. Si en el núcleo hay un exceso importante de neutrones, las fuerzas nucleares no se encuentran compensadas, el isótopo es inestable y tiende a alcanzar la estabilidad desintegrándose mediante la liberación espontánea de energía o de partículas para estabilizar el núcleo. Hay más isótopos radioactivos de elementos pesados que de elementos ligeros.

Isótopos estables

Expresión de las abundancias o contenidos

La variación es substancias naturales de la abundancia de los isótopos estables del H, C, O, N, Si y S es muy pequeña, por ello es más útil expresar la variación del isótopo “minoritario” o menos abundante respecto al “común” o más abundante. A esta variación se la denomina abundancia relativa (R)

R = N’/N

N’ = minoritario

N = abundante

R en la muestra se expresa siempre en relación a “R” en un estándar o referencia, que es una substancia, natural o sintética, de valor bien conocido:

La comparación se establece como una desviación isotópica entre el valor de R en la muestra a estudiar (Rm) respecto al valor de R en el estándar (Re). Como las desviaciones son cifras de muy pequeña magnitud se multiplican por 1000 para manejar valores significativos.

δ(‰) = (Rm/Re - 1) · 1000

Rm = ¹⁸O/¹⁶O, ¹³C/¹²C, ²H/¹H, ³⁴S/³²S en la muestra

Re = ¹⁸O/¹⁶O, ¹³C/¹²C, ²H/¹H, ³⁴S/³²S en el estándar

Se deduce que cuando δ tiene un valor positivo indica que la muestra está enriquecida en el isótopo raro respecto al estándar; si el valor de δ es negativo el agua de la muestra está empobrecida respecto al estándar.

Los estándares de referencia suelen ser valores con un significado geológico. Así el estándar de referencia para el agua es el SMOW_V (Standard Mean OceanWater, Vienna), es decir, el valor promedio de la mayor masa de agua en la Tierra, el océano; y de forma parecida el estándar de referencia para el N es el nitrógeno atmosférico. Por otro lado, el estándar de referencia para el azufre es el VCDT (Viena Canyon Diablo Troilite), valor del azufre de una Troilita presente en el meteorito del Cañón del Diablo en Estados Unidos, representa la relación isotópica del manto de la Tierra. Por tanto, cuando una muestra de un determinado compuesto de azufre, por ejemplo un sulfato disuelto, presenta valores positivos de su δ³⁴S nos está indicando que éste está enriquecido en isótopo de masa 34 respecto al valor inicial de la formación de la Tierra.

Para los isótopos pesados (aquellos con una masa elevada como Sr o Pb), la composición isotópica se expresa directamente por la abundancia relativa entre el isótopo de masa mayor respecto al de masa menor (por ejemplo: ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), y por convención no se habla de desviación isotópica “δ”.

Isótopos radioactivos

Ley de desintegración radioactiva

La desintegración es un evento espontáneo, por eso se estudia aplicando la ley probabilística: todos los núcleos de una especie radioactiva tienen la misma probabilidad de desintegrarse en un momento dado.

dN = λN.dt

λ = constante de desintegración o probabilidad de desintegración por núcleo y por unidad de tiempo.

dN/dt = decaimiento (disminución del número de núcleor por unidad de tiempo.

Integrando y aplicando condiciones de contorno t=0, N=N₀, y en ausencia de aportes de radionúclidos posteriores al momento inicial, se obtiene la ecuación exponencial de desintegración:

N = N₀e^-λt

N₀ = número de núcleos iniciales

N = número de núcleos sin desintegrarse al cabo de un tiempo t

λ = constante de desintegración radiactiva

Debido a las velocidades habituales del agua subterránea en el medio, normalmente en hidrogeología tienen interés los isótopos con valores T comprendidos entre menos de un día y algún millar de años.

Expresión de las actividades

La actividad o radioactividad A, de cierta cantidad de un radioisótopo es el número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo.

Unidades de medida de la actividad

Las unidades más frecuentes son el Bequerelio (Bq) y el Curio (c). Debido a las bajas actividades usuales de las aguas subterráneas, con frecuencia se utilizan submúltiplos de estos.

Medida de la radioactividad

La radioactividad se mide mediante un detector de cuentas, correspondiendo cada cuenta a la desintegración de un núcleo radioactivo. La actividad de una cierta cantidad de muestra es el número de cuentas registradas por el detector por unidad de tiempo.

Medidores de actividad

· Contadores de centelleo líquido: cada desintegración excita un fotón de un líquido de centelleo, produciéndose un destello que es detectado y contado por un contador. Adecuados para actividades grandes.

· Espectrómetros de masas: discrimina las masas atómicas; adecuados para actividades medias.

· TAMS (TandemAcceleratorMassSpectrometry): adecuadas para actividades muy bajas.

Date: 2015-01-29; view: 969