Nick Connor

Absorción fotoeléctrica de rayos X

En el efecto fotoeléctrico, un fotón experimenta una interacción con un electrón que está unido a un átomo. En esta interacción, el fotón incidente desaparece por completo y el átomo expulsa un fotoelectrón energético de una de sus capas . La energía cinética del fotoelectrón expulsado (E _e ) es igual a la energía del fotón incidente (hν) menos la energía de enlace del fotoelectrón en su capa original (E _b ).

E _e = hν-E _b

Por lo tanto, los fotoelectrones solo son emitidos por el efecto fotoeléctrico si el fotón alcanza o supera un umbral de energía , la energía de enlace del electrón, la función de trabajo del material. Para rayos X muy altos con energías de más de cientos keV, el fotoelectrón se lleva la mayor parte de la energía del fotón incidente – hν.

A valores pequeños de energía de rayos gamma, domina el efecto fotoeléctrico . El mecanismo también se mejora para materiales de alto número atómico Z. No es sencillo derivar la expresión analítica de la probabilidad de absorción fotoeléctrica de rayos gamma por átomo en todos los rangos de energías de rayos gamma. La probabilidad de absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ _{(fotoeléctrica)} = constante x Z ^N / E ^3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La proporcionalidad a potencias más altas del número atómico Z es la razón principal por la que se utilizan materiales con alto contenido de Z, como el plomo o el uranio empobrecido en los escudos de rayos gamma.

Aunque la probabilidad de absorción fotoeléctrica de fotones disminuye, en general, al aumentar la energía de los fotones, existen discontinuidades marcadas en la curva de sección transversal. Estos se denominan «bordes de absorción».y corresponden a las energías de enlace de los electrones de las capas ligadas de los átomos. Para los fotones con la energía justo por encima del borde, la energía del fotón es suficiente para experimentar la interacción fotoeléctrica con el electrón de la capa unida, digamos K-capa. La probabilidad de tal interacción es mucho mayor justo por encima de este borde que la de los fotones de energía ligeramente por debajo de este borde. Para los fotones por debajo de este borde, la interacción con el electrón de la capa K es energéticamente imposible y, por lo tanto, la probabilidad cae abruptamente. Estos bordes se producen también en las energías de enlace de los electrones de otras capas (L, M, N… ..).

Interacción de los rayos X con la materia

Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia. La fuerza de estas interacciones depende de la energía de los rayos X y de la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía de los fotones de rayos X es mucho mayor que las energías de unión química. La absorción fotoeléctrica domina a bajas energías de los rayos X, mientras que la dispersión de Compton domina a energías más altas.

• Absorción fotoeléctrica
• Dispersión de Compton
• la dispersión de Rayleigh

Ver también:

Rayos X [ / lgc_column]

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es un parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías, desde las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, pasando por la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0,01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), lo que corresponde a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y, por lo general, más largas que las de los rayos gamma.

Espectro de rayos X: característico y continuo

Para los rayos X generados por un tubo de rayos X, la parte de energía que se transforma en radiación varía desde cero hasta la energía máxima del electrón cuando golpea el ánodo. La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga del electrón, por lo que un tubo de 100 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 100. keV. Cuando los electrones golpean el objetivo, los rayos X se crean mediante dos procesos atómicos diferentes:

• Bremsstrahlung . La bremsstrahlung es radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de un electrón cuando es desviado por fuertes campos electromagnéticos de núcleos objetivo de alto Z (número de protones). El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es «radiación de frenado» . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía. La bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos). Estos rayos X tienen un espectro continuo. La intensidad de los rayos X aumenta linealmente con la frecuencia decreciente, desde cero a la energía de los electrones incidentes, el voltaje en el tubo de rayos X. Cambiar el material del que está hecho el objetivo en el tubo no tiene ningún efecto sobre el espectro de esta radiación continua. Si tuviéramos que cambiar de un objetivo de molibdeno a un objetivo de cobre, por ejemplo, todas las características del espectro de rayos X cambiarían excepto la longitud de onda de corte.
• Emisión de rayos X característica. Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa interna de electrones de un átomo metálico. Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía del electrón del que proviene el electrón, los electrones externos del átomo descienden en cascada para llenar los niveles atómicos inferiores, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . Como resultado, aparecen picos de intensidad agudos en el espectro en longitudes de onda que son una característica del material del que está hecho el objetivo del ánodo. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr.

La conversión interna es un proceso electromagnético, por el cual un estado de excitación nuclear decae por la emisión directa de uno de sus electrones atómicos .

Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía del electrón del que proviene el electrón, los electrones externos del átomo descienden en cascada para llenar los niveles atómicos inferiores, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . A veces, los rayos X pueden interactuar con otro electrón orbital, que puede ser expulsado del átomo. Este segundo electrón expulsado se llama electrón Auger . Esto es muy similar a la captura de electrones , pero en el caso de la captura de electrones, un núcleo cambia su número atómico. Como resultado, el átomo emite un electrón primario de alta energía, rayos X característicos o un electrón secundario Auger, ninguno de los cuales se origina en ese núcleo.

Ver también:

Rayos X [ / lgc_column]

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es un parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías, desde las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, pasando por la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0,01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), lo que corresponde a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y, por lo general, más largas que las de los rayos gamma.

Radiografías blandas y duras

Los rayos X generalmente se describen por su energía máxima, que está determinada por el voltaje entre los electrodos. Los rayos X con altas energías de fotones (por encima de 5–10 keV) se denominan rayos X duros , mientras que los de menor energía (y mayor longitud de onda) se denominan rayos X suaves . Debido a su capacidad de penetración, los rayos X duros se utilizan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos visualmente opacos. Las aplicaciones más frecuentes se encuentran en la radiografía médica. Dado que las longitudes de onda de los rayos X duros son similares al tamaño de los átomos, también son útiles para determinar estructuras cristalinas mediante cristalografía de rayos X. Por el contrario, los rayos X suaves se absorben fácilmente en el aire. La longitud de atenuación de los rayos X de 600 eV en el agua es inferior a 1 micrómetro.

Rayos X – Producción

Dado que los rayos X son fotones de alta energía , que tienen naturaleza electromagnética , pueden producirse siempre que partículas cargadas (electrones o iones) de suficiente energía golpeen un material. Es similar al efecto fotoeléctrico , donde los fotones pueden ser aniquilados cuando golpean la placa de metal, cada uno entregando su thermodynamics/what-is-energy-physics/what-is-kinetic-energy/»>energía cinética a un electrón .

Los rayos X pueden ser generados por un tubo de rayos X , un tubo de vacío que usa un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente a una alta velocidad. El cátodo debe calentarse para emitir electrones. Los electrones, acelerados por diferencias de potencial de decenas de miles de voltios, apuntan a un objetivo metálico (generalmente hecho de tungsteno u otro metal pesado) en un tubo de vacío. Cuanto mayor sea el voltaje entre los electrodos, mayor energía obtendrán los electrones. Al golpear el objetivo, los electrones acelerados se detienen abruptamente y los rayos Xy se generan calor. La mayor parte de la energía se transforma en calor en el ánodo (que debe enfriarse). Solo el 1% de la energía cinética de los electrones se convierte en rayos X. Los rayos X generalmente se generan perpendiculares a la trayectoria del haz de electrones.

Una fuente especializada de rayos X que se está utilizando ampliamente en la investigación es el acelerador de partículas, que genera una radiación conocida como radiación de sincrotrón . Cuando las partículas cargadas ultrarrelativistas se mueven a través de campos magnéticos, se ven obligadas a moverse a lo largo de una trayectoria curva. Dado que su dirección de movimiento cambia continuamente, también están acelerando y, por lo tanto, emiten bremsstrahlung, en este caso se denomina radiación de sincrotrón .

Los rayos X también pueden ser producidos por protones rápidos u otros iones positivos. La emisión de rayos X inducida por protones o la emisión de rayos X inducida por partículas se utiliza ampliamente como procedimiento analítico.

Espectro de rayos X: característico y continuo

Para los rayos X generados por un tubo de rayos X, la parte de energía que se transforma en radiación varía desde cero hasta la energía máxima del electrón cuando golpea el ánodo. La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga del electrón, por lo que un tubo de 100 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 100. keV. Cuando los electrones golpean el objetivo, los rayos X se crean mediante dos procesos atómicos diferentes:

• Bremsstrahlung . La bremsstrahlung es radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de un electrón cuando es desviado por fuertes campos electromagnéticos de núcleos objetivo de alto Z (número de protones). El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es «radiación de frenado» . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía. La bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos). Estos rayos X tienen un espectro continuo. La intensidad de los rayos X aumenta linealmente con la frecuencia decreciente, desde cero a la energía de los electrones incidentes, el voltaje en el tubo de rayos X. Cambiar el material del que está hecho el objetivo en el tubo no tiene ningún efecto sobre el espectro de esta radiación continua. Si tuviéramos que cambiar de un objetivo de molibdeno a un objetivo de cobre, por ejemplo, todas las características del espectro de rayos X cambiarían excepto la longitud de onda de corte.
• Emisión de rayos X característica. Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa interna de electrones de un átomo metálico. Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía del electrón del que proviene el electrón, los electrones externos del átomo descienden en cascada para llenar los niveles atómicos inferiores, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . Como resultado, aparecen picos de intensidad agudos en el espectro en longitudes de onda que son una característica del material del que está hecho el objetivo del ánodo. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr.

Ver también:

Rayos X [ / lgc_column]

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es un parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías, desde las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, pasando por la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0,01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), lo que corresponde a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y, por lo general, más largas que las de los rayos gamma.

Rayos X – Producción

Dado que los rayos X son fotones de alta energía , que tienen naturaleza electromagnética , pueden producirse siempre que partículas cargadas (electrones o iones) de suficiente energía golpeen un material. Es similar al efecto fotoeléctrico , donde los fotones pueden ser aniquilados cuando golpean la placa de metal, cada uno entregando su thermodynamics/what-is-energy-physics/what-is-kinetic-energy/»>energía cinética a un electrón .

Los rayos X pueden ser generados por un tubo de rayos X , un tubo de vacío que usa un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente a una alta velocidad. El cátodo debe calentarse para emitir electrones. Los electrones, acelerados por diferencias de potencial de decenas de miles de voltios, apuntan a un objetivo metálico (generalmente hecho de tungsteno u otro metal pesado) en un tubo de vacío. Cuanto mayor sea el voltaje entre los electrodos, mayor energía obtendrán los electrones. Al golpear el objetivo, los electrones acelerados se detienen abruptamente y los rayos Xy se generan calor. La mayor parte de la energía se transforma en calor en el ánodo (que debe enfriarse). Solo el 1% de la energía cinética de los electrones se convierte en rayos X. Los rayos X generalmente se generan perpendiculares a la trayectoria del haz de electrones.

Una fuente especializada de rayos X que se está utilizando ampliamente en la investigación es el acelerador de partículas, que genera una radiación conocida como radiación de sincrotrón . Cuando las partículas cargadas ultrarrelativistas se mueven a través de campos magnéticos, se ven obligadas a moverse a lo largo de una trayectoria curva. Dado que su dirección de movimiento cambia continuamente, también están acelerando y, por lo tanto, emiten bremsstrahlung, en este caso se denomina radiación de sincrotrón .

Los rayos X también pueden ser producidos por protones rápidos u otros iones positivos. La emisión de rayos X inducida por protones o la emisión de rayos X inducida por partículas se utiliza ampliamente como procedimiento analítico.

Radiografías blandas y duras

Los rayos X generalmente se describen por su energía máxima, que está determinada por el voltaje entre los electrodos. Los rayos X con altas energías de fotones (por encima de 5–10 keV) se denominan rayos X duros , mientras que los de menor energía (y mayor longitud de onda) se denominan rayos X suaves . Debido a su capacidad de penetración, los rayos X duros se utilizan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos visualmente opacos. Las aplicaciones más frecuentes se encuentran en la radiografía médica. Dado que las longitudes de onda de los rayos X duros son similares al tamaño de los átomos, también son útiles para determinar estructuras cristalinas mediante cristalografía de rayos X. Por el contrario, los rayos X suaves se absorben fácilmente en el aire. La longitud de atenuación de los rayos X de 600 eV en el agua es inferior a 1 micrómetro.

Espectro de rayos X: característico y continuo

Para los rayos X generados por el tubo de rayos X, la parte de energía que se transforma en radiación varía desde cero hasta la energía máxima del electrón cuando golpea el ánodo. La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga del electrón, por lo que un tubo de 100 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 100. keV. Cuando los electrones golpean el objetivo, los rayos X se crean mediante dos procesos atómicos diferentes:

• Bremsstrahlung . La bremsstrahlung es radiación electromagnética producida por la aceleración o desaceleración de un electrón cuando es desviado por fuertes campos electromagnéticos de núcleos objetivo de alto Z (número de protones). El nombre bremsstrahlung proviene del alemán. La traducción literal es «radiación de frenado» . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía. La bremsstrahlung es una de las posibles interacciones de partículas cargadas de luz con la materia (especialmente con números atómicos altos). Estos rayos X tienen un espectro continuo. La intensidad de los rayos X aumenta linealmente con la frecuencia decreciente, desde cero a la energía de los electrones incidentes, el voltaje en el tubo de rayos X. Cambiar el material del que está hecho el objetivo en el tubo no tiene ningún efecto sobre el espectro de esta radiación continua. Si tuviéramos que cambiar de un objetivo de molibdeno a un objetivo de cobre, por ejemplo, todas las características del espectro de rayos X cambiarían excepto la longitud de onda de corte.
• Emisión de rayos X característica. Si el electrón tiene suficiente energía, puede expulsar un electrón orbital de la capa interna de electrones de un átomo metálico. Dado que el proceso deja una vacante en el nivel de energía del electrón del que proviene el electrón, los electrones externos del átomo descienden en cascada para llenar los niveles atómicos inferiores, y generalmente se emiten uno o más rayos X característicos . Como resultado, aparecen picos de intensidad agudos en el espectro en longitudes de onda que son una característica del material del que está hecho el objetivo del ánodo. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr.

Ver también:

Rayos X [ / lgc_column]

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es un parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican según las energías, desde las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, pasando por la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0,01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), lo que corresponde a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y, por lo general, más largas que las de los rayos gamma.

Dado que los rayos X (especialmente los rayos X duros) son en esencia fotones de alta energía, son una materia muy penetrante y, por lo tanto, biológicamente peligrosos. Los rayos X pueden viajar miles de pies en el aire y pueden atravesar fácilmente el cuerpo humano.

Características de los rayos X – Propiedades

Las características clave de los rayos X se resumen en los siguientes puntos:

• Los rayos X son fotones de alta energía (aproximadamente 100-1 000 veces más energía que los fotones visibles), los mismos fotones que los fotones que forman el rango visible del espectro electromagnético: la luz.
• Los rayos X generalmente se describen por su energía máxima, que está determinada por el voltaje entre los electrodos. Puede variar desde aproximadamente 20 kV hasta 300 kV. La radiación de bajo voltaje se denomina » suave » y la radiación de alto voltaje se denomina » dura «.
• Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.
• Los rayos X ionizan la materia mediante ionización indirecta .
• Aunque se conoce un gran número de posibles interacciones, existen tres mecanismos clave de interacción con la materia.
  • Efecto fotoeléctrico
  • Dispersión de Compton
  • la dispersión de Rayleigh
• Los rayos X viajan a la velocidad de la luz y pueden viajar cientos de metros en el aire antes de gastar su energía.
• Dado que los rayos X duros son una materia muy penetrante, deben protegerse con materiales muy densos, como el plomo o el uranio.
• La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .
• Para los rayos X generados por un tubo de rayos X, existen dos tipos diferentes de espectros de rayos X:
  • Bremsstrahlung
  • Rayos X característicos
• Los rayos X característicos acompañan con frecuencia a algunos tipos de desintegraciones nucleares, como la conversión interna y la captura de electrones .

Ver también:

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La datación radiométrica (o datación radiactiva) es cualquier técnica utilizada para fechar materiales orgánicos e inorgánicos de un proceso que implica la desintegración radiactiva . El método compara la abundancia de un isótopo radiactivo natural dentro del material con la abundancia de sus productos de desintegración, que se forman a una tasa constante conocida de desintegración.

La ley de desintegración radiactiva establece que la probabilidad por unidad de tiempo de que un núcleo se desintegra es una constante, independiente del tiempo. Esta constante se llama constante de desintegración y se denota por λ, «lambda». Esta probabilidad constante puede variar mucho entre diferentes tipos de núcleos, lo que lleva a las diferentes tasas de desintegración observadas. La desintegración radiactiva de cierto número de átomos (masa) es exponencial en el tiempo.

Ley de desintegración radiactiva: N = N ₀ .e ^-λt

Uno de los métodos de datación radiométrica más antiguos es la datación con uranio y plomo . La edad de la corteza terrestre se puede estimar a partir de la relación entre las cantidades de uranio-238 y plomo-206 encontradas en especímenes geológicos. La larga vida media del isótopo uranio-238 (4,51 × 10 ⁹ años) lo hace muy adecuado para su uso en la estimación de la edad de las rocas ígneas más antiguas y para otros tipos de datación radiométrica, incluida la datación por uranio-torio y uranio- datación por uranio.

La datación de uranio-plomo se basa en la medición del primer y último miembro de la serie del uranio , que es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con el uranio-238 de origen natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consta de núcleos atómicos pesados ​​inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta.hasta que se logre un núcleo estable. En el caso de la serie de uranio, el núcleo estable es plomo-206. Se asume que todos los núcleos de plomo 206 que se encuentran hoy en el espécimen eran originalmente núcleos de uranio 238. Eso significa que en la formación de la corteza, la muestra no contenía núcleos de plomo 206. Si no se encuentran otros isótopos de plomo en la muestra, esta es una suposición razonable. En esta condición, la edad de la muestra se puede calcular asumiendo una desintegración exponencial del uranio-238. Es decir:

El método de datación de uranio-plomo se realiza generalmente en el mineral circón . Los circones de Jack Hills en Australia Occidental han producido edades de U-Pb de hasta 4 .404 mil millones de años , interpretada como la edad de cristalización, lo que los convierte en los minerales más antiguos hasta ahora fechados en la Tierra.

Edad de la Tierra: datación con uranio-plomo

La edad de la Tierra es de unos 4.540 millones de años . Esta datación se basa en la evidencia de la datación radiométrica del material de meteoritos y es consistente con las edades radiométricas de las muestras terrestres y lunares más antiguas conocidas.

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Ver también:

Fechado radiométrico

La edad de la Tierra es de unos 4.540 millones de años . Esta datación se basa en la evidencia de la datación radiométrica del material de meteoritos y es consistente con las edades radiométricas de las muestras terrestres y lunares más antiguas conocidas.

Uno de los métodos de datación radiométrica más antiguos es la datación con uranio y plomo . La edad de la corteza terrestre se puede estimar a partir de la relación entre las cantidades de uranio-238 y plomo-206 encontradas en especímenes geológicos. La larga vida media del isótopo uranio-238 (4,51 × 10 ⁹ años) lo hace muy adecuado para su uso en la estimación de la edad de las rocas ígneas más antiguas y para otros tipos de datación radiométrica, incluida la datación por uranio-torio y uranio- datación por uranio.

La datación de uranio-plomo se basa en la medición del primer y último miembro de la serie del uranio , que es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con el uranio-238 de origen natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consta de núcleos atómicos pesados ​​inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta.hasta que se logre un núcleo estable. En el caso de la serie de uranio, el núcleo estable es plomo-206. Se asume que todos los núcleos de plomo 206 que se encuentran hoy en el espécimen eran originalmente núcleos de uranio 238. Eso significa que en la formación de la corteza, la muestra no contenía núcleos de plomo 206. Si no se encuentran otros isótopos de plomo en la muestra, esta es una suposición razonable. En esta condición, la edad de la muestra se puede calcular asumiendo una desintegración exponencial del uranio-238. Es decir:

El método de datación de uranio-plomo se realiza generalmente en el mineral circón . Los circones de Jack Hills en Australia Occidental han producido edades U-Pb de hasta 4.404 mil millones de años , interpretada como la edad de cristalización, lo que los convierte en los minerales más antiguos hasta ahora fechados en la Tierra.

Ver también:

Fechado radiométrico

La datación por carbono-14 , también conocida como datación por radiocarbono , es un método para determinar la edad de un objeto que contiene material orgánico utilizando las propiedades del radionúclido carbono-14. El carbono 14 radiactivo tiene una vida media de 5730 años y sufre desintegración β− , donde el neutrón se convierte en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico :

A pesar de esta corta vida media en comparación con la edad de la tierra, el carbono 14 es un isótopo natural. Su presencia puede explicarse mediante la siguiente simple observación. Nuestra atmósfera contiene muchos gases, incluido el nitrógeno 14. Además, la atmósfera es bombardeada constantemente con rayos cósmicos de alta energía , que consisten en protones, núcleos más pesados ​​o rayos gamma. Estos rayos cósmicos interactúan con los núcleos de la atmósfera y producen también neutrones de alta energía. Estos neutrones producidos en estas colisiones pueden ser absorbidos por nitrógeno-14 para producir un isótopo de carbono-14:

El carbono 14 también se puede producir en la atmósfera mediante otras reacciones de neutrones, que incluyen en particular 13C (n, γ) 14C y 17O (n, α) 14C. Como resultado, el carbono 14 se forma continuamente en la atmósfera superior por la interacción de los rayos cósmicos con el nitrógeno atmosférico. En promedio, solo uno de cada 1.3 x 10 ¹² átomos de carbono en la atmósfera es un átomo de carbono 14 radiactivo.

El carbono 14 resultante se combina con el oxígeno atmosférico para formar dióxido de carbono radiactivo., que se incorpora a las plantas por fotosíntesis. En consecuencia, todos los sistemas biológicos como plantas, animales y humanos contienen un cierto nivel de carbono-14 radiactivo. Mientras el sistema biológico esté vivo, el nivel es constante debido a la ingesta constante de todos los isótopos de carbono. Cuando el sistema biológico muere, deja de intercambiar carbono con su entorno y, a partir de ese momento, la cantidad de carbono 14 que contiene comienza a disminuir a medida que el carbono 14 sufre desintegración radiactiva. Por otro lado, la cantidad de carbono-12 estable permanece sin cambios. Como resultado, la concentración relativa de estos dos isótopos en cualquier organismo cambia después de su muerte. El método permite realizar dataciones hasta hace unos 20.000 años con una precisión de aproximadamente ± 100 años.

La técnica de la datación por carbono fue sugerida inicialmente por Willard Libby y sus colegas en 1949. En 1960, Willard Libby recibió el Premio Nobel de Química por este trabajo.

Ver también:

Fechado radiométrico

La datación radiométrica (o datación radiactiva) es cualquier técnica utilizada para fechar materiales orgánicos e inorgánicos de un proceso que implica la desintegración radiactiva . El método compara la abundancia de un isótopo radiactivo natural dentro del material con la abundancia de sus productos de desintegración, que se forman a una tasa constante conocida de desintegración.

Todos estos métodos se basan en el hecho de que la velocidad a la que los núcleos radiactivos se desintegran no se ve afectada por su entorno, se puede utilizar para estimar la edad de cualquier muestra de material u objeto que contenga un isótopo radiactivo. Los cálculos de la desintegración de los núcleos radiactivos son relativamente sencillos, debido al hecho de que solo existe una ley fundamental que gobierna todo proceso de desintegración.

La ley de desintegración radiactiva establece que la probabilidad por unidad de tiempo de que un núcleo se desintegra es una constante, independiente del tiempo. Esta constante se llama constante de desintegración y se denota por λ, «lambda». Esta probabilidad constante puede variar mucho entre diferentes tipos de núcleos, lo que lleva a las diferentes tasas de desintegración observadas. La desintegración radiactiva de cierto número de átomos (masa) es exponencial en el tiempo.

Ley de desintegración radiactiva: N = N ₀ .e ^-λt

Entre las técnicas más conocidas se encuentran:

• datación por carbono 14,
• datación por potasio-argón,
• datación por uranio-plomo .

Los métodos de datación radiométrica se utilizan en geocronología para establecer la escala de tiempo geológico y también se pueden utilizar para fechar materiales arqueológicos , incluidos artefactos antiguos .

Datación por carbono 14 – Datación por radiocarbono

La datación por carbono-14 , también conocida como datación por radiocarbono , es un método para determinar la edad de un objeto que contiene material orgánico utilizando las propiedades del radionúclido carbono-14. El carbono 14 radiactivo tiene una vida media de 5730 años y sufre desintegración β− , donde el neutrón se convierte en un protón , un electrón y un antineutrino electrónico :

A pesar de esta corta vida media en comparación con la edad de la tierra, el carbono 14 es un isótopo natural. Su presencia puede explicarse mediante la siguiente simple observación. Nuestra atmósfera contiene muchos gases, incluido el nitrógeno 14. Además, la atmósfera es bombardeada constantemente con rayos cósmicos de alta energía , que consisten en protones, núcleos más pesados ​​o rayos gamma. Estos rayos cósmicos interactúan con los núcleos de la atmósfera y producen también neutrones de alta energía. Estos neutrones producidos en estas colisiones pueden ser absorbidos por nitrógeno-14 para producir un isótopo de carbono-14:

El carbono 14 también se puede producir en la atmósfera mediante otras reacciones de neutrones, que incluyen en particular 13C (n, γ) 14C y 17O (n, α) 14C. Como resultado, el carbono 14 se forma continuamente en la atmósfera superior por la interacción de los rayos cósmicos con el nitrógeno atmosférico. En promedio, solo uno de cada 1.3 x 10 ¹² átomos de carbono en la atmósfera es un átomo de carbono 14 radiactivo.

El carbono 14 resultante se combina con el oxígeno atmosférico para formar dióxido de carbono radiactivo., que se incorpora a las plantas por fotosíntesis. En consecuencia, todos los sistemas biológicos como plantas, animales y humanos contienen un cierto nivel de carbono-14 radiactivo. Mientras el sistema biológico esté vivo, el nivel es constante debido a la ingesta constante de todos los isótopos de carbono. Cuando el sistema biológico muere, deja de intercambiar carbono con su entorno y, a partir de ese momento, la cantidad de carbono 14 que contiene comienza a disminuir a medida que el carbono 14 sufre desintegración radiactiva. Por otro lado, la cantidad de carbono-12 estable permanece sin cambios. Como resultado, la concentración relativa de estos dos isótopos en cualquier organismo cambia después de su muerte. El método permite realizar dataciones hasta hace unos 20.000 años con una precisión de aproximadamente ± 100 años.

La técnica de la datación por carbono fue sugerida inicialmente por Willard Libby y sus colegas en 1949. En 1960, Willard Libby recibió el Premio Nobel de Química por este trabajo.

Edad de la Tierra: datación con uranio-plomo

La edad de la Tierra es de unos 4.540 millones de años . Esta datación se basa en la evidencia de la datación radiométrica del material de meteoritos y es consistente con las edades radiométricas de las muestras terrestres y lunares más antiguas conocidas.

Uno de los métodos de datación radiométrica más antiguos es la datación con uranio y plomo . La edad de la corteza terrestre se puede estimar a partir de la relación entre las cantidades de uranio-238 y plomo-206 encontradas en especímenes geológicos. La larga vida media del isótopo uranio-238 (4,51 × 10 ⁹ años) lo hace muy adecuado para su uso en la estimación de la edad de las rocas ígneas más antiguas y para otros tipos de datación radiométrica, incluida la datación por uranio-torio y uranio- datación por uranio.

La datación de uranio-plomo se basa en la medición del primer y último miembro de la serie del uranio , que es una de las tres series radiactivas clásicas que comienzan con el uranio-238 de origen natural . Esta cadena de desintegración radiactiva consta de núcleos atómicos pesados ​​inestables que se desintegran a través de una secuencia de desintegraciones alfa y beta.hasta que se logre un núcleo estable. En el caso de la serie de uranio, el núcleo estable es plomo-206. Se asume que todos los núcleos de plomo 206 que se encuentran hoy en el espécimen eran originalmente núcleos de uranio 238. Eso significa que en la formación de la corteza, la muestra no contenía núcleos de plomo 206. Si no se encuentran otros isótopos de plomo en la muestra, esta es una suposición razonable. En esta condición, la edad de la muestra se puede calcular asumiendo una desintegración exponencial del uranio-238. Es decir:

El método de datación de uranio-plomo se realiza generalmente en el mineral circón . Los circones de Jack Hills en Australia Occidental han producido edades U-Pb de hasta 4.404 mil millones de años , interpretada como la edad de cristalización, lo que los convierte en los minerales más antiguos hasta ahora fechados en la Tierra.

Ver también:

Desintegración radiactiva

Ley de la descomposición – Ecuación – Fórmula

La ley de desintegración radiactiva establece que la probabilidad por unidad de tiempo de que un núcleo se desintegra es una constante, independiente del tiempo. Esta constante se llama constante de desintegración y se denota por λ, «lambda». Esta probabilidad constante puede variar mucho entre diferentes tipos de núcleos, lo que lleva a las diferentes tasas de desintegración observadas. La desintegración radiactiva de cierto número de átomos (masa) es exponencial en el tiempo.

Ley de desintegración radiactiva: N = Ne ^-λt

La tasa de desintegración nuclear también se mide en términos de vidas medias . La vida media es la cantidad de tiempo que tarda un isótopo dado en perder la mitad de su radiactividad. Si un radioisótopo tiene una vida media de 14 días, la mitad de sus átomos se habrán desintegrado en 14 días. En 14 días más, la mitad de la mitad restante se descompondrá, y así sucesivamente. Las semividas van desde una millonésima de segundo para los productos de fisión altamente radiactivos hasta miles de millones de años para los materiales de larga duración (como el uranio natural). Darse cuenta delas semividas cortas van acompañadas de grandes constantes de desintegración. El material radiactivo con una vida media corta es mucho más radiactivo (en el momento de la producción) pero, obviamente, perderá su radiactividad rápidamente. No importa cuán larga o corta sea la vida media, después de que hayan pasado siete vidas medias, queda menos del 1 por ciento de la actividad inicial.

La ley de desintegración radiactiva se puede derivar también para cálculos de actividad o cálculos de masa de material radiactivo:

(Número de núcleos) N = Ne ^-λt     (Actividad) A = Ae ^-λt      (Masa) m = me ^-λt

, donde N (número de partículas) es el número total de partículas en la muestra, A (actividad total) es el número de desintegraciones por unidad de tiempo de una muestra radiactiva, m es la masa de material radiactivo restante.

Constante de decaimiento y vida media – Ecuación – Fórmula

En los cálculos de radiactividad, se debe conocer uno de dos parámetros ( constante de desintegración o vida media ), que caracterizan la tasa de desintegración. Existe una relación entre la vida media (t _1/2 ) y la constante de desintegración λ. La relación se puede derivar de la ley de desintegración estableciendo N = ½ N _o . Esto da:

donde ln 2 (el logaritmo natural de 2) es igual a 0,693. Si se da la constante de desintegración (λ), es fácil calcular la vida media y viceversa.

Ecuaciones de Bateman

En física, las ecuaciones de Bateman son un conjunto de ecuaciones diferenciales de primer orden, que describen la evolución en el tiempo de las concentraciones de nucleidos que experimentan una cadena de desintegración lineal o en serie. El modelo fue formulado por Ernest Rutherford en 1905 y la solución analítica para el caso de desintegración radiactiva en una cadena lineal fue proporcionada por Harry Bateman en 1910. Este modelo también se puede utilizar en códigos de agotamiento nuclear para resolver problemas de transmutación y desintegración nuclear.

Por ejemplo, ORIGEN es un sistema de código de computadora para calcular la acumulación, desintegración y procesamiento de materiales radiactivos. ORIGEN utiliza un método exponencial matricial para resolver un gran sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas, lineales y de primer orden (similares a las ecuaciones de Bateman ) con coeficientes constantes.

Las ecuaciones de Bateman para el caso de desintegración radiactiva de series de n – nucleidos en cadena lineal que describen las concentraciones de nucleidos son las siguientes:

Ejemplo: ley de desintegración radiactiva

Una muestra de material contiene 1 microgramo de yodo-131. Tenga en cuenta que el yodo-131 desempeña un papel importante como isótopo radiactivo presente en los productos de fisión nuclear y es uno de los principales contribuyentes a los peligros para la salud cuando se libera a la atmósfera durante un accidente. El yodo-131 tiene una vida media de 8.02 días.

Calcular:

1. El número de átomos de yodo-131 inicialmente presentes.
2. La actividad del yodo-131 en curies.
3. La cantidad de átomos de yodo-131 que permanecerán en 50 días.
4. El tiempo que tardará la actividad en alcanzar 0,1 mCi.

Solución:

1. El número de átomos de yodo-131 se puede determinar usando masa isotópica como se muestra a continuación.

N _I-131 = m _I-131 . N _A / M _I-131

N _I-131 = (1 μg) x (6,02 × 10 ²³ núcleos / mol) / (130,91 g / mol)

N _I-131 = 4,6 x 10 ¹⁵ núcleos

2. La actividad del yodo-131 en los curies se puede determinar usando su constante de desintegración :

El yodo-131 tiene una vida media de 8.02 días (692928 seg) y por lo tanto su constante de desintegración es:

Usando este valor para la constante de desintegración podemos determinar la actividad de la muestra:

3) y 4) El número de átomos de yodo-131 que permanecerán en 50 días (N _50d ) y el tiempo que tardará la actividad en alcanzar 0,1 mCi se puede calcular utilizando la ley de desintegración:

Como puede verse, después de 50 días el número de átomos de yodo-131 y, por lo tanto, la actividad será aproximadamente 75 veces menor. Después de 82 días, la actividad será aproximadamente 1200 veces menor. Por lo tanto, el tiempo de diez vidas medias (factor 2 ¹⁰ = 1024) se usa ampliamente para definir la actividad residual.

Ver también:

Equilibrio radiactivo