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Isótopos del 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 un poco más larga que la edad generalmente aceptada del universo . Este isótopo constituye casi todo el torio natural, por lo que se consideró que el torio era mononucleídico . Sin embargo, en 2013, la IUPAC reclasificó el torio como binuclídico, debido a las grandes cantidades de 230 Th en las aguas marinas profundas. El torio tiene una composición isotópica terrestre característica y, por lo 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] que recientemente se ha medido como8.355 733 554 021 (8) eV [6] [7] 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. [8] [9] [10]

Los isótopos conocidos del torio varían en número de masa de 207 [11] a 238.

Lista de isótopos

  1. ^ m Th – Isómero nuclear excitado .
  2. ^ ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da en forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
  3. ^ # – Masa atómica marcada con #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de la Superficie de Masa (TMS).
  4. ^ Vida media audaz  : casi estable, vida media más larga que la edad del universo .
  5. ^ Modos de descomposición:
  6. ^ Símbolo en negrita como hija: el producto hija 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 en β + a 219 Ac [1]
  10. ^ Teóricamente capaz de capturar electrones hasta 220 Ac [1]
  11. ^ Teóricamente capaz de capturar electrones hasta 222 Ac [1]
  12. ^ ab Producto de desintegración intermedia del 235 U
  13. ^ Producto de desintegración intermedia del 232 Th
  14. ^ Producto de desintegración intermedia de 237 Np
  15. ^ ab El 229m Th neutro se desintegra rápidamente por conversión interna , expulsando un electrón. No hay suficiente energía para expulsar un segundo electrón, por lo que los iones 229m Th + viven mucho más tiempo y se desintegran por emisión gamma. Véase § Torio-229m.
  16. ^ Se utiliza en la datación de uranio-torio
  17. ^ ab Producto de desintegración intermedia del 238 U
  18. ^ Radionúclido primordial
  19. ^ Se teoriza que también sufre desintegración β − β − ​​a 232 U
  20. ^ Producido en captura de neutrones por 232 Th

Usos

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

En muchos países el uso de torio en productos de consumo está prohibido o se desaconseja 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 requerida para retirar un electrón de su superficie.

Se ha utilizado, desde hace aproximadamente un siglo, en mantos de lámparas de gas y vapor, como faroles 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 lo tanto, son ligeramente radiactivos. [16] Dos de los elementos de vidrio de las lentes Aero-Ektar f/2.5 tienen un 11% y un 13% de torio en peso. Los vidrios que contienen torio se utilizaron 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 se utilicen, sería prudente almacenar estas lentes lo más lejos posible de áreas normalmente habitadas, permitiendo que la relación del cuadrado inverso atenúe la radiación. [17]

Actínidos vs. productos de fisión

Isótopos notables

Torio-228

El 228 Th es un isótopo del torio con 138 neutrones . Se lo denominó radiotorio debido a su presencia en la cadena de desintegración del torio-232. Tiene una vida media de 1,9116 años. Sufre desintegración alfa a 224 Ra . Ocasionalmente se desintegra por la ruta inusual de desintegración en racimo , 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 radioterapia con partículas alfa. [23]

Torio-229

El 229 Th es un isótopo radiactivo del 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 principal uso es la producción de los isótopos médicos actinio-225 y bismuto-213 . [24]

Torio-229m

229Th tiene un isómero nuclear ,229 millones
El
, con una energía de excitación notablemente baja de8.355 733 554 021 (8) eV . [7]

Debido a esta baja energía, la vida útil del 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 iones Th + . La desintegración radiativa se produce con una vida media 8,4 órdenes de magnitud más larga, superior a 1000 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 una vida útil 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 ). [7] [28] [6] [15] Aunque en el rango de frecuencia ultravioleta de vacío de muy alta frecuencia , es posible construir un láser que funcione a esta frecuencia , dando 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 [9] [10] [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. Se realizaron muchas investigaciones, tanto teóricas como experimentales, que intentaron 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 se midiera la frecuencia con precisión en 2024. [6] [28] [15]

Historia

Las primeras mediciones se realizaron mediante espectroscopia de rayos gamma , produciendo elEstado excitado de 229 Th a 29,5855 keV , y medición de la diferencia en las energías de los rayos gamma emitidos a medida que se desintegra en los estados isoméricos 229m 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 dedujo que la energía estaba por debajo de los 100 eV, basándose únicamente en la no observación de la desintegración directa del isómero. Sin embargo, en 1990, mediciones adicionales llevaron a la conclusión de que la energía está casi con certeza por debajo de los 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 limitó aún más a3,5 ± 1,0 eV , que durante mucho tiempo fue el valor de energía aceptado. [35]

En 2007 se realizaron mediciones espectroscópicas de rayos gamma mejoradas utilizando un microcalorímetro de rayos X de alta resolución avanzado, que produjeron 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 se habían considerado en intentos anteriores de observar los fotones emitidos:

Pero incluso conociendo la energía más alta, la mayoría de las búsquedas en la década de 2010 de luz emitida por la desintegración isomérica no lograron observar ninguna señal, [38] [39] [40] [41] apuntando hacia un canal de desintegración no radiativo potencialmente fuerte. Una detección directa de fotones emitidos en la desintegración isomérica se afirmó en 2012 [42] y nuevamente en 2018. [43] Sin embargo, ambos informes fueron objeto de debates controvertidos 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 229m Th. [46] Sin embargo, en ese momento la energía de transición del isómero solo se pudo limitar 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.8,28 ± 0,17 eV . [47] Sin embargo, este valor parecía estar en desacuerdo con la preimpresión de 2018 que mostraba 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 (retrospectivamente correcta)1880 ± 170 s de vida útil. [43] En ese artículo, se incrustó 229 Th en SiO 2 , lo que posiblemente resultó en un cambio de energía y una vida útil alterada, aunque los estados involucrados son principalmente nucleares, lo que los protege de las interacciones electrónicas.

En otro experimento de 2018, fue posible realizar una primera caracterización espectroscópica láser de las propiedades nucleares de 229m Th. [48] En este experimento, se realizó la espectroscopia láser de la capa atómica de 229 Th utilizando una nube de iones de 229 Th 2+ con el 2 % de los iones en el estado nuclear excitado. Esto permitió investigar el desplazamiento hiperfino inducido por los diferentes estados de espín nuclear del estado fundamental y del estado isomérico. De esta manera, se pudo inferir un primer valor experimental para el dipolo magnético y el momento cuadrupolar 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 internos [47] y se logró una población segura de 229m Th del estado fundamental nuclear mediante la excitación delEstado nuclear excitado de 29 keV mediante radiación sincrotrón. [49] Mediciones adicionales realizadas por un grupo diferente en 2020 produjeron 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 septiembre de 2022, la espectroscopia en muestras en descomposición determinó que la energía de excitación era8,338 ± 0,024 eV . [52]

En abril de 2024, dos grupos separados finalmente informaron sobre la excitación láser de precisión de cationes Th4 + dopados en cristales iónicos (de CaF2 y LiSrAlF6 con aniones F− intersticiales adicionales para compensación de carga), lo que brinda una medición precisa (~1 parte por millón ) de la energía de transición. [28] [8] [6] [15] Una parte por billón (La medición de 10 −12 ) se realizó pronto en junio de 2024, [7] [53] y los futuros láseres de alta precisión medirán la frecuencia hasta elPrecisión de 10 −18 de los mejores relojes atómicos . [7] [10] [31]

Torio-230

El 230 Th es un isótopo radiactivo del torio que se puede utilizar para datar corales y determinar el flujo de las corrientes oceánicas . El ionio fue el nombre que se le dio al isótopo 230 Th producido en la cadena de desintegración del 238 U en los inicios del estudio de los elementos radiactivosantes de que se descubriera que el ionio y el torio son químicamente idénticos. Se utilizó el símbolo Io para este supuesto elemento (el nombre todavía se utiliza en la datación ionio-torio ).

Torio-231

El 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. [54] 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 u .

Torio-232

El 232 Th es el único nucleido primordial del torio y constituye prácticamente todo el torio natural, mientras que otros isótopos del torio aparecen solo en cantidades traza como productos de desintegración de vida relativamente corta del uranio y el torio. [55] 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 rápida; las vidas medias más largas en ella son 5,75 años para el radio-228 y 1,91 años para el torio-228 , y todas las demás vidas medias suman menos de 15 días. [56]

El 232 es un material fértil capaz de absorber un neutrón y sufrir una transmutación en el nucleido fisible uranio-233 , que es la base del ciclo del combustible del torio . [57] 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 . [58]

Torio-233

El 233 Th es un isótopo del torio que se desintegra en protactinio-233 mediante desintegración beta. Tiene una vida media de 21,83 minutos. [1] En la naturaleza se encuentran trazas como resultado de la activación naturaldel 232 Th por neutrones . [59]

Torio-234

El 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. El 234 Th tiene una masa de 234,0436 unidades de masa atómica y una energía de desintegración de unos 270 keV. El uranio -238 suele desintegrarse en este isótopo del torio (aunque en casos raros puede sufrir fisión espontánea en su lugar).

Referencias

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  19. ^ En concreto, a partir de la fisión de neutrones térmicos del uranio-235, por ejemplo, en un reactor nuclear típico .
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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 mayor de 9 [años]. No se detectó crecimiento de Cf 248 , y un límite inferior para la vida media β − se puede establecer en aproximadamente 10 4 [años]. No se ha detectado actividad alfa atribuible al nuevo isómero; la vida media alfa es probablemente mayor de 300 [años]".
  21. ^ Se trata del nucleido más pesado, con una vida media de al menos cuatro años antes del " mar de inestabilidad ".
  22. ^ Excluyendo aquellos nucleidos " clásicamente estables " con vidas medias significativamente superiores a 232 Th; por ejemplo, mientras que el 113m Cd tiene una vida media de sólo catorce años, la del 113 Cd es de ocho cuatrillones de años.
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