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Isótopos de torio

El torio ( 90 Th) tiene siete isótopos naturales pero ninguno es estable. Un isótopo, el 232 Th , es relativamente estable, con una vida media de 1,405×10 10 años, considerablemente más larga que la edad de la Tierra , e incluso ligeramente más larga que la edad generalmente aceptada del universo . Este isótopo constituye casi todo el torio natural, por lo que se consideraba que el torio era mononucleído . Sin embargo, en 2013, la IUPAC reclasificó el torio como binuclídico, debido a las grandes cantidades de 230 Th en aguas marinas profundas. El torio tiene una composición isotópica terrestre característica y, por tanto, se puede dar un peso atómico estándar.

Se han caracterizado treinta y un radioisótopos , siendo los más estables el 232 Th, el 230 Th con una vida media de 75.380 años, el 229 Th con una vida media de 7.917 años, [2] y el 228 Th con una vida media de 1,92 años. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a treinta días y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a diez minutos. Un isótopo, el 229 Th, tiene un isómero nuclear (o estado metaestable) con una energía de excitación notablemente baja, [5] recientemente medida como8,355 74  eV [6] Se ha propuesto realizar espectroscopia láser del núcleo 229 Th y utilizar la transición de baja energía para el desarrollo de un reloj nuclear de precisión extremadamente alta. [7] [8] [9]

Los isótopos conocidos del torio varían en número másico desde 207 [10] hasta 238.

Lista de isótopos

  1. ^ m Th - Isómero nuclear excitado .
  2. ^ ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
  3. ^ # – Masa atómica marcada #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de Mass Surface (TMS).
  4. ^ Vida media en negrita  : casi estable, vida media más larga que la edad del universo .
  5. ^ Modos de descomposición:
  6. ^ Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo es estable.
  7. ^ ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
  8. ^ #: los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).
  9. ^ Teóricamente capaz de desintegrarse β + a 219 Ac [1]
  10. ^ Teóricamente capaz de capturar electrones a 220 Ac [1]
  11. ^ Teóricamente capaz de capturar electrones hasta 222 Ac [1]
  12. ^ ab Producto de desintegración intermedia de 235 U
  13. ^ Producto de desintegración intermedia de 232 Th
  14. ^ Producto de desintegración intermedia de 237 Np
  15. ^ ab Neutro 229m Th decae rápidamente por conversión interna , expulsando un electrón. No hay suficiente energía para expulsar un segundo electrón, por lo que los iones Th + de 229 m viven mucho más tiempo y se desintegran por emisión gamma. Ver § Torio-229m.
  16. ^ Utilizado en la datación con uranio-torio
  17. ^ ab Producto de desintegración intermedia de 238 U
  18. ^ Radionúclido primordial
  19. ^ Teorizado que también sufrirá una desintegración β - β - a 232 U
  20. ^ Producido en captura de neutrones por 232 Th

Usos

Se ha sugerido el uso del torio en energía nuclear basada en torio .

En muchos países se prohíbe o desaconseja el uso de torio en productos de consumo porque es radiactivo.

Actualmente se utiliza en cátodos de tubos de vacío, por una combinación de estabilidad física a alta temperatura y una baja energía de trabajo necesaria para eliminar un electrón de su superficie.

Durante aproximadamente un siglo, se ha utilizado en mantos de lámparas de gas y vapor, como luces de gas y linternas de camping.

Lentes de baja dispersión

El torio también se utilizó en ciertos elementos de vidrio de las lentes Aero-Ektar fabricadas por Kodak durante la Segunda Guerra Mundial. Por tanto, son ligeramente radiactivos. [16] Dos de los elementos de vidrio en las lentes Aero-Ektar f/2.5 tienen 11% y 13% de torio en peso. Se utilizaron vidrios que contienen torio porque tienen un alto índice de refracción con una baja dispersión (variación del índice con la longitud de onda), una propiedad muy deseable. Muchas lentes Aero-Ektar supervivientes tienen un tinte de color té, posiblemente debido al daño causado por la radiación al vidrio.

Estas lentes se utilizaron para reconocimiento aéreo porque el nivel de radiación no es lo suficientemente alto como para empañar la película durante un período corto. Esto indicaría que el nivel de radiación es razonablemente seguro. Sin embargo, cuando no estén en uso, sería prudente guardar estos lentes lo más lejos posible de áreas normalmente habitadas; permitiendo que la relación del cuadrado inverso atenúe la radiación. [17]

Actínidos versus productos de fisión

Isótopos notables

Torio-228

228 Th es un isótopo del torio con 138 neutrones . Alguna vez fue llamado Radiotorio, debido a su aparición en la cadena de desintegración del torio-232. Tiene una vida media de 1,9116 años. Sufre desintegración alfa hasta 224 Ra . Ocasionalmente se desintegra por la ruta inusual de la desintegración de cúmulos , emitiendo un núcleo de 20 O y produciendo 208 Pb estable . Es un isótopo hijo del 232 U en la serie de desintegración del torio.

228 Th tiene un peso atómico de 228,0287411 gramos/mol.

Junto con su producto de desintegración 224 Ra, se utiliza para la radioterapia con partículas alfa. [23]

Torio-229

229 Th es un isótopo radiactivo de torio que se desintegra por emisión alfa con una vida media de 7917 años. [2] El 229 Th se produce por la desintegración del uranio-233 , y su uso principal es para la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213 . [24]

Torio-229m

229 Th tiene un isómero nuclear ,229m
Th
, con una energía de excitación notablemente baja de8.355 733 554 021 (8) eV . [13]

Debido a esta baja energía, la vida útil de 229m Th depende en gran medida del entorno electrónico del núcleo. En el 229 Th neutro, el isómero se desintegra por conversión interna en unos pocos microsegundos. [25] [26] [14] Sin embargo, la energía isomérica no es suficiente para eliminar un segundo electrón (la segunda energía de ionización del torio es11,5 eV ), por lo que la conversión interna es imposible en los iones Th + . La desintegración radiativa se produce con una vida media 8,4 órdenes de magnitud más larga, superior a 1.000 segundos. [26] [27] Incrustada en cristales iónicos , la ionización no es del 100%, por lo que se produce una pequeña cantidad de conversión interna, lo que lleva a una vida útil medida recientemente de ≈600 s , [6] [15] que se puede extrapolar a toda la vida para iones aislados de1740 ± 50 s . [6]

Esta energía de excitación corresponde a una frecuencia de fotón de2 020 407 384 335 ± 2 kHz (longitud de onda148.382 182 8827 (15) nm ). [13] [28] [6] [15] Aunque en el rango de frecuencia ultravioleta del vacío de muy alta frecuencia , es posible construir un láser que funcione a esta frecuencia , brindando la única oportunidad conocida para la excitación láser directa de un estado nuclear, [ 29] que podría tener aplicaciones como un reloj nuclear de muy alta precisión [8] [9] [30] [31] o como un qubit para computación cuántica . [32]

Estas aplicaciones se vieron obstaculizadas durante mucho tiempo por mediciones imprecisas de la energía isomérica, ya que la exquisita precisión de la excitación láser dificulta su uso para buscar en un amplio rango de frecuencias. Hubo muchas investigaciones, tanto teóricas como experimentales, tratando de determinar con precisión la energía de transición y especificar otras propiedades del estado isomérico de 229 Th (como la vida útil y el momento magnético) antes de que la frecuencia fuera medida con precisión en 2024. [6 ] [28] [15]

Historia

Las primeras mediciones se realizaron mediante espectroscopia de rayos gamma , produciendo elEstado excitado de 29,5855 keV de 229 Th, y midiendo la diferencia en las energías de rayos gamma emitidas a medida que decae a los estados isoméricos de 229 m Th (90%) o 229 Th (10%).

En 1976, esta técnica indicó por primera vez que el 229 Th tiene un isómero nuclear, el 229m Th, con una energía de excitación notablemente baja. [33] En ese momento se infirió que la energía estaba por debajo de 100 eV, basándose únicamente en la no observación de la desintegración directa del isómero. Sin embargo, en 1990, nuevas mediciones llevaron a la conclusión de que es casi seguro que la energía está por debajo de 10 eV, [34], lo que la convierte en una de las energías de excitación isoméricas más bajas conocidas. En los años siguientes, la energía se vio aún más limitada a3,5 ± 1,0 eV , que fue durante mucho tiempo el valor energético aceptado. [35]

En 2007 se llevaron a cabo mediciones mejoradas de espectroscopía de rayos gamma utilizando un microcalorímetro de rayos X avanzado de alta resolución, lo que arrojó un nuevo valor para la energía de transición de7,6 ± 0,5 eV , [36] corregido a7,8 ± 0,5 eV en 2009. [37] Esta mayor energía tiene dos consecuencias que no habían sido consideradas en intentos anteriores de observar los fotones emitidos:

Pero incluso conociendo la energía superior, la mayoría de las búsquedas en la década de 2010 de la luz emitida por la desintegración isomérica no lograron observar ninguna señal, [38] [39] [40] [41] que apunta hacia un canal de desintegración no radiativo potencialmente fuerte. En 2012 [42] y nuevamente en 2018 se afirmó una detección directa de fotones emitidos en la desintegración isomérica. [43] Sin embargo, ambos informes fueron objeto de discusiones controvertidas dentro de la comunidad. [44] [45]

En 2016 se logró una detección directa de electrones emitidos en el canal de desintegración de conversión interna de 229 m Th. [46] Sin embargo, en ese momento la energía de transición del isómero solo podía limitarse débilmente a entre 6,3 y 18,3 eV. Finalmente, en 2019, la espectroscopia electrónica no óptica de los electrones de conversión interna emitidos en la desintegración isomérica permitió determinar la energía de excitación del isómero para8,28 ± 0,17 eV . [47] Sin embargo, este valor parecía estar en desacuerdo con la preimpresión de 2018 que muestra que una señal similar a unaSe puede mostrar un fotón VUV de xenón de 8,4 eV , pero con aproximadamente1.3+0,2
−0,1 eV menos energía y una vida útil de 1880 s. [43] En ese artículo, 229 Th estaba incrustado en SiO 2 , lo que posiblemente resultó en un cambio de energía y una vida alterada, aunque los estados involucrados son principalmente nucleares, lo que los protege de las interacciones electrónicas.

En un experimento de 2018, fue posible realizar una primera caracterización espectroscópica láser de las propiedades nucleares de 229m Th. [48] ​​En este experimento, la espectroscopia láser de la capa atómica de 229 Th se realizó utilizando una nube de iones de 229 Th 2+ con el 2% de los iones en el estado nuclear excitado. Esto permitió investigar el cambio hiperfino inducido por los diferentes estados de espín nuclear del suelo y el estado isomérico. De esta forma, se pudo inferir un primer valor experimental para el momento dipolo magnético y el momento cuadripolar eléctrico de 229m Th.

En 2019, la energía de excitación del isómero se limitó a8,28 ± 0,17 eV basado en la detección directa de electrones de conversión interna [47] y se logró una población segura de 229 m Th del estado fundamental nuclear mediante la excitación delEstado excitado nuclear de 29 keV mediante radiación sincrotrón. [49] Mediciones adicionales realizadas por un grupo diferente en 2020 arrojaron una cifra de8,10 ± 0,17 eV (153,1 ± 3,2 nm de longitud de onda). [50] Combinando estas mediciones, la energía de transición esperada es8,12 ± 0,11 eV . [51]

En abril de 2024, dos grupos separados finalmente informaron sobre la excitación láser de precisión con cationes Th 4+ dopados en cristales iónicos (de CaF 2 y LiSrAlF 6 con aniones F − intersticiales adicionales para compensación de carga), dando una medición precisa (≈1 parte por millón ) de la energía de transición. [28] [7] [6] [15] Una parte por billón (10 −12 ) la medición siguió pronto en junio de 2024, [13] y futuros láseres de alta precisión medirán la frecuencia hasta el10 −18 precisión de los mejores relojes atómicos . [13] [9] [31]

Torio-230

230 Th es un isótopo radiactivo de torio que puede usarse para fechar corales y determinar el flujo de las corrientes oceánicas . Ionio fue el nombre que se le dio al inicio del estudio de los elementos radiactivos al isótopo 230 Th producido en la cadena de desintegración del 238 U, antes de que se diera cuenta de que el ionio y el torio son químicamente idénticos. El símbolo Io se utilizó para este supuesto elemento. (El nombre todavía se utiliza en la datación con ionio-torio ).

Torio-231

231 Th tiene 141 neutrones . Es el producto de la desintegración del uranio-235 . Se encuentra en cantidades muy pequeñas en la tierra y tiene una vida media de 25,5 horas. [52] Cuando se desintegra, emite un rayo beta y forma protactinio-231 . Tiene una energía de desintegración de 0,39 MeV. Tiene una masa de 231,0363043 gramos/mol.

Torio-232

232 Th es el único nucleido primordial del torio y constituye efectivamente todo el torio natural, mientras que otros isótopos de torio aparecen sólo en pequeñas cantidades como productos de desintegración del uranio y el torio de vida relativamente corta. [53] El isótopo se desintegra por desintegración alfa con una vida media de 1,405 × 1010 años, más de tres veces la edad de la Tierra y aproximadamente la edad del universo . Su cadena de desintegración es la serie del torio , que finalmente termina en plomo-208 . El resto de la cadena es rápido; las vidas medias más largas son 5,75 años para el radio-228 y 1,91 años para el torio-228 , y todas las demás vidas medias totalizan menos de 15 días. [54]

232 Th es un material fértil capaz de absorber un neutrón y sufrir transmutación en el nucleido fisionable uranio-233 , que es la base del ciclo del combustible del torio . [55] En forma de Thorotrast , una suspensión de dióxido de torio , se utilizó como medio de contraste en los primeros diagnósticos por rayos X. El torio-232 ahora está clasificado como cancerígeno . [56]

Torio-233

233 Th es un isótopo de torio que se desintegra en protactinio-233 mediante desintegración beta. Tiene una vida media de 21,83 minutos. [1] Las trazas se producen en la naturaleza como resultado de la activación natural de neutrones del 232 Th. [57]

Torio-234

234 Th es un isótopo del torio cuyos núcleos contienen 144 neutrones . El 234 Th tiene una vida media de 24,1 días y, cuando se desintegra, emite una partícula beta y, al hacerlo, se transmuta en protactinio -234. 234 Th tiene una masa de 234,0436 unidades de masa atómica (uma) y una energía de desintegración de aproximadamente 270 keV ( kiloelectronvoltios ). El uranio -238 normalmente se desintegra en este isótopo de torio (aunque en casos raros puede sufrir fisión espontánea ).

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    "Los análisis isotópicos revelaron una especie de masa 248 en abundancia constante en tres muestras analizadas durante un período de aproximadamente 10 meses. Esto se atribuyó a un isómero de Bk 248 con una vida media superior a 9 [años]. No hay crecimiento de Cf 248 , y el límite inferior para la vida media β puede fijarse en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa probablemente sea superior a 300 [años]. ]."
  21. ^ Este es el nucleido más pesado con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
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