La datación por resonancia de espín electrónico , o datación ESR , es una técnica utilizada para datar materiales que la datación por radiocarbono no puede, incluidos minerales (por ejemplo, carbonatos , silicatos , sulfatos ), materiales biológicos (por ejemplo, esmalte dental ), materiales arqueológicos (por ejemplo, cerámica) y alimentos. [1] La datación por resonancia de espín electrónico se introdujo por primera vez en la comunidad científica en 1975, cuando el físico nuclear japonés Motoji Ikeya fechó un espeleotema en la cueva de Akiyoshi, Japón . [2] La datación ESR mide la cantidad de electrones desapareados en estructuras cristalinas que estuvieron expuestas previamente a la radiación natural. La edad de una sustancia se puede determinar midiendo la dosis de radiación desde el momento de su formación. [3]
La datación por resonancia de espín electrónico se está utilizando en campos como la química de la radiación, la bioquímica, así como la geología, la arqueología y la antropología. [4] La datación por ESR se utiliza en lugar de la datación por radiocarbono o la datación radiométrica porque la datación por ESR se puede aplicar en materiales diferentes a otros métodos, además de cubrir diferentes rangos de edad. [1] La datación por ESR se ha utilizado para datar dientes fosilizados. [5] La datación de dientes humanos enterrados ha servido como base para la datación de restos humanos. [2] Se han utilizado estudios para datar pedernal quemado y cuarzo encontrados en ciertas cerámicas antiguas. [6] La datación por ESR se ha aplicado ampliamente para datar respiraderos hidrotermales [7] [8] [9] y, a veces, para extraer minerales. [10] Las aplicaciones más nuevas de la datación por ESR incluyen la datación de terremotos anteriores a partir de surcos de fallas , erupciones volcánicas pasadas , actividad tectónica a lo largo de las costas, [11] flujo de fluidos en prismas de acreción y filtraciones frías . [12]
La datación ESR se puede aplicar a materiales recién formados o muestras calentadas previamente, [11] siempre que el calentamiento sea inferior a la temperatura de cierre o el tiempo de calentamiento sea mucho más corto que el tiempo de desintegración característico. [12] [13] La temperatura de cierre del cuarzo en el granito es de aproximadamente 30 a 90 °C [13] y de la barita es de aproximadamente 190 a 340 °C [12] para la datación ESR.
La datación por resonancia de espín electrónico puede describirse como datación por carga atrapada. La radiactividad hace que los electrones con carga negativa pasen de un estado fundamental , la banda de valencia, a un nivel de energía más alto en la banda de conducción. Después de un corto tiempo, los electrones finalmente se recombinan con los huecos con carga positiva que quedan en la banda de valencia. [6] Los electrones atrapados forman centros paramagnéticos y dan lugar a ciertas señales que pueden detectarse mediante espectrometría ESR. [2] La cantidad de electrones atrapados corresponde a la magnitud de la señal ESR. Esta señal ESR es directamente proporcional al número de electrones atrapados en el mineral, la dosis de sustancias radiactivas y la edad. [2]
La edad de resonancia de espín electrónico de una sustancia se obtiene a partir de la siguiente ecuación:
donde D E es la dosis equivalente, o paleodosis (en Gray o Gy), es decir, la cantidad de radiación que una muestra ha recibido durante el tiempo transcurrido entre la puesta a cero del reloj ESR (t = 0) y el muestreo (t = T). D(t) es la tasa de dosis (normalmente en Gy/ka o microGy/a), que es la dosis media absorbida por la muestra en 1 año. Si D(t) se considera constante a lo largo del tiempo, entonces, la ecuación puede expresarse de la siguiente manera:
[2]
En este escenario, T es la edad de la muestra, es decir, el tiempo durante el cual la muestra ha estado expuesta a la radiactividad natural desde que se restableció por última vez la señal ESR. Esto sucede al liberar la carga atrapada, es decir, generalmente por disolución/recristalización, calor, blanqueo óptico o estrés mecánico. [14]
La dosis acumulada se obtiene mediante el método de dosis aditiva [3] y mediante una espectrometría de resonancia de espín electrónico (ESR). [2] Esto se hace cuando una muestra se coloca en un campo magnético externo y se irradia con ciertas dosis de microondas [2] que cambian el nivel de energía de los centros magnéticos (cambian la rotación del espín) ya sea al mismo o al opuesto del campo magnético circundante. [4] El cambio en las propiedades magnéticas solo ocurre en niveles de energía específicos y, para ciertas frecuencias de microondas, existen intensidades magnéticas específicas que hacen que ocurran estos cambios (resonancia). [2] La posición de una línea ESR en un espectro corresponde a la proporción (valor g) de la frecuencia de microondas con respecto a la intensidad del campo magnético utilizado en la espectrometría. [2] A medida que se produce la extrapolación hacia cero de la intensidad de ESR, se puede determinar la dosis acumulada. [3]
La tasa de dosis se obtiene sumando las concentraciones de materiales radiactivos en la muestra (tasa de dosis interna) y en el entorno circundante (tasa de dosis externa). Las dosis de radiactividad interna y externa deben calcularse por separado debido a las diferencias variables entre ambas. [2]
Factores a incluir en el cálculo de la radiactividad:
Los electrones atrapados solo tienen un marco temporal limitado cuando se encuentran en las etapas intermedias del nivel de energía. Después de un cierto rango de tiempo, o fluctuaciones de temperatura, los electrones atrapados volverán a sus estados de energía y se recombinarán con huecos. [2] La recombinación de electrones con sus huecos solo es insignificante si la vida media es diez veces mayor que la edad de la muestra que se está datando. [2] Los nuevos eventos de calentamiento pueden borrar edades ESR anteriores [12] [13] [15] por lo que en entornos con múltiples episodios de calentamiento, como en los respiraderos hidrotermales , tal vez solo los minerales recién formados puedan datarse con datación ESR pero no los minerales más antiguos. Esto explica por qué las muestras del mismo respiradero hidrotermal pueden dar diferentes edades ESR. [9] En entornos con múltiples fases de formación de minerales , generalmente, la datación ESR da la edad media del mineral en masa, mientras que las fechas radiométricas están sesgadas hacia las edades de las fases más jóvenes debido a la desintegración de los núcleos parentales . [9] [12]
