princípios da física nuclear_elton
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Laboratório de Geocronologia
Universidade de Brasília
GEOLOGIA DE ISÓTOPOS RADIOGÊNICOS
Módulos BásicosMódulos Básicos
Módulos AplicadosMódulos Aplicados
• Rochas sedimentaresRochas sedimentares
• Rochas ÏgneasRochas Ïgneas
• Rochas MetamóficasRochas Metamóficas
• MetalogêneseMetalogênese
• Introdução a Radioatividade
• Espectrometria de massa
• Diluição isotópica aplicada a geocronologia
• Métodos Termocronológicos (K-Ar e Ar-Ar)
• Método Rb-Sr
• Método Sm-Nd
• Método Re-Os
• Sistemática Isotópica U-Th-Pb Método Pb-Pb Método Pb-Pb
Método U-Pb Método U-Pb
Laboratório de Geocronologia
Universidade de Brasília
PRINCÍPIOS DA FÍSICA NUCLEAR
Aplicados a Geocronologia
PRINCÍPIOS FÍSICOS DA GEOLOGIA ISOTÓPICAPRINCÍPIOS FÍSICOS DA GEOLOGIA ISOTÓPICA
O ÁTOMO
Caracterizado pelo seu núcleo e eletrosfera
Núcleo (diâmetro de 10-12cm, 10.000 vezes < que a átomo):
Prótons (p+)- carga +1 – massa1Nêutrons (n0)- carga neutra – massa 1
Eletrosfera:Elétrons (e-)- carga -1 – massa 1/1840g
Átomo neutro – número de prótons igual ao número de elétrons Z = número atômico – número de prótons A = massa – prótons + nêutrons + elétrons
Isótopos – mesmo Z e A Isóbaros – Z e = A Isótonos – Z, A e = número de nêutrons
ISOTISOTÓPOÓPOSS
Mesmo número Mesmo número AtAtôômicmicoo – Diferent – Diferente e MassaMassa At Atôômicmica.a.
Numero Numero AtAtôômicmicoo = No. = No. dede ProtonsProtons
Massa Massa AtAtôômicmicaa = No. = No. dede Protons Protons + No. + No. dede Neutrons Neutrons
No. No. dede Protons = Z Protons = Z
No. No. dede Neutrons = N Neutrons = N
Numero Numero AtAtôômicmicoo = Z = Z
Massa Massa AtAtôômicmicaa = A = Z + N = A = Z + N
2 Grupos de Isotópos
ISOTÓPOS RADIOATIVOS
ISOTÓPOS ESTAVEIS
ISOTÓPOS RADIOGÊNICOS
Produzidos pelo decaimento de isotópos radioativos
Pode ser radioativos ou estáveis
Isotópo Radioativo = Isotopo Pai
Isotopo Radiogenico = Isotope Filho
ISOTOPOS RADIOATIVOS
• Transformados através de decaimento radioativo em outros elementos
• Variações em sua abundância natural são governadas pelo decaimento radioativo
• Geralmente se usa o par de isotópos radioativo-radiogênico :
Rb – SrSm – Nd U, Th – Pb
AplicaAplicações principaisções principais
GeocronologGeocronologia = determinação ia = determinação de idadesde idades))
GeoGeoquímicaquímica
TraTraçadores:çadores:
• Evolução da TerraEvolução da TerraPetrogPetrogêneseênese
GênGênesese de Metais e de Metais
Interação Interação FluidFluidoo-Roc-Rocha ha
TemperaturTemperatura de a de formaformação ção ((dede minerals, minerals, rocrochas, etc has, etc ))
Representação do Tempo GeológicoRepresentação do Tempo Geológico
Fonte: Plummer & McGeary
ARQUEANOARQUEANO
PR
OT
ER
OZ
ÓIC
OP
RO
TE
RO
ZÓ
ICO
PaleoproterozóicoPaleoproterozóico
MesoproterozóicoMesoproterozóico
NeoproterozóicoNeoproterozóico
38003800
25002500
16001600
900900
544544
PA
LE
OZ
ÓIC
OP
AL
EO
ZÓ
ICO
CambrianoCambriano
OrdovicianoOrdoviciano
SilurianoSiluriano
DevonianoDevoniano
PermianoPermiano
PensilvanianoPensilvaniano
MississipianoMississipianoC
arb
on
ífer
oC
arb
on
ífer
o
245245
286286
325325
360360
410410
440440
505505
544544M
ES
OZ
ÓIC
OM
ES
OZ
ÓIC
O
TriássicoTriássico
JurássicoJurássico
CretáceoCretáceo
245245
208208
146146
6565
CE
NO
ZÓ
ICO
CE
NO
ZÓ
ICO
TE
RC
IÁR
IOT
ER
CIÁ
RIO
Pal
eog
ênic
oP
aleo
gên
ico
Neo
gên
ico
Neo
gên
ico
PaleocenoPaleoceno
Quat.Quat.
EocenoEoceno
PleistocenoPleistoceno
PliocenoPlioceno
MiocenoMioceno
OligocenoOligoceno
1,81,8
55
2323
3838
5454
6565
HADEANOHADEANO4500 Ma.4500 Ma.
A Escala do Tempo GeológicoA Escala do Tempo Geológico
Durante o século XIX várias tentativas de quantificar o tempo geológico
Taxa de sedimentação Salinidade dos oceanos Resfriamento da Terra
Para resolver o problema da quantificação do tempo geológicoPara resolver o problema da quantificação do tempo geológicoUtilizar um processo que:Utilizar um processo que: fosse contínuo ao longo do tempo geológicofosse contínuo ao longo do tempo geológico não fosse reversívelnão fosse reversível não influenciado por outros processos ou ciclosnão influenciado por outros processos ou ciclos que deixasse um registro completo, sem interrupçõesque deixasse um registro completo, sem interrupções
• Um breve histórico sobre radioatividade
Descoberta da radioatividade em 1896 (Becquerel)
Em 1904 B. Boltwood demonstrou que a radioatividade poderia ser usada para determinar tempo de formação de minerais de urânio
Foram assim abertas as portas para as “datações radiométricas”, a nova e eficiente técnica de medir o tempo geológico.
Conceito de radioatividade: variação nuclear espontânea, caracterizada pela emissão de radiações eletromagnéticas ou partículas, ocasionando a transformação de um nuclídeo em outro
1930 - Início do desenvolvimento de aparelho para medir razões isotópicas (espectrômetro de massa)
Anos 50 - Físicos versus GeólogosSurge o MitMétodo U-Pb
Anos 60 -Método K-Ar e Rb-SrPrimeiro laboratório de geocronologia daAmérica do Sul (CPGeo-USP)
Anos 70 - Novos métodosPb-Pb e Sm-Nd
Anos 80 - Novos métodos e técnicas interpretativas
Anos 90 - Datações pontuais dentro de um único cristal
Nucleossíntese
Supõe-se que a 30 min. do Big-bang1H 78 %4He 22%
Nuclídeos de M = 254 foram criados em diferentes estrelas com diferentes idades
Por não ter uma distribuição homogênea estes nuclídeos pesados nõ foram gerados no Big-bang
Nucleossíntese
Acresçõesgravitacionais
Queima de Hidrogênio
H consumidocontração
gravitacionalGigante
Vermelha
Anã Branca(resfriamento)
107 K
Queima de HélioGeração de nuclídeos de número de
massa até 40
108 K
H consumidocontração
gravitacional
3 x 109 KSuper Nova
109 K Fusão do Carbono
(Geração de nuclídeos pesados)
Incorporação em outras estrelas
Distribuição no espaço
He
H
Longo tempo
1H + 1H 2D + e+ + (t/2 = 1,4 x 1010 anos)3He + 3He 4He + 21H + (t/2 = 106 anos)
Curto tempo
12C + 1H 13N + 13N 13C + e+ + 13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 16O + 4He 20Ne + 20Ne + 4He 24Mg +
Exemplos Equações de Nucleossíntese
Abundância Cósmica
Tempo x temperatura
Estabilidade dos nuclídeos
Tipos de Decaimento Radioativo
D
P
Z
N
Z Z+1
N N-1
A A
n p + e-
I) Beta
Decaimento Radioativo: Mecanismos
-decay-decay
-decay-decay
Positron decayPositron decay
Electron captureElectron capture
nuclear fissionnuclear fission
Branched decayBranched decay (ramificação) (ramificação)
Para os sistemas isotópicos deste Para os sistemas isotópicos deste curso curso ::
- and - and -decay-decay
Exemplo de decaimento beta
Tipos de Decaimento Radioativo
II) Positron
P
D
Z
N
Z Z-1
N N+1
A A
p n + e+
Exemplo de decaimento
positron
Tipos de Decaimento Radioativo
III) Captura de elétron
P
D
Z
N
Z Z-1
N N+1
A A
e- + p n
Tipos de Decaimento Radioativo
IV) Alfa
P
D
Z
N
Z Z-2
N N-2
A A-4
-decay:
Transformation of a neutron into a proton and an electron--------------------------------------------------------------------------------------------
ISOTOPE ATOMIC NO. Neutron no. ATOMIC Mass (Proton no.) (Proton no.+neutron no.)------------- ------------------- ---------------- ----------------------------------
Radioactive Z N ARadiogenic Z+1 N-1 A--------------------------------------------------------------------------------------------
e.g. Rb-Sr System
Radioactive (parent) Radiogenic (daughter)
8737Rb 87
38Sr + -
Exemplo de decaimento alfa
-decay:
• Emission of -particles from the atomic nucleus
– - particle = 2 protons+ 2 neutrons = 42He
-------------------------------------------------------------------ISOTOPE ATOMIC NO. Neutron no. ATOMIC MASS (Proton no.) (Proton no.+neutron no.)------------- ------------------- ---------------- ------------------------------Radioactive Z N ARadiogenic Z-2 N-2 A-4
---------------------------------------------------------------------e.g. Sm-Nd System
Radioactive (parent) Radiogenic (daughter)147
62Sm 14360Nd + 4
2He ()
Decaimento
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tempo (meias-vidas)
Nú
me
ro d
e át
om
os
Pai Filho
ParaPara Isotópos Isotópos RadioativRadioativosos (Pa (Paii) :) : N = NN = N00 e e --tt
N = N = quantidade de isotópo quantidade de isotópo radioativradioativoo (parent) (parent) num determinado tempo num determinado tempo t t
NN00 = = Quantidade Quantidade iniiniccial ial do isotópo do isotópo radioativ radioativoo (parent) (parent) antes de iniciar o decaimentoantes de iniciar o decaimento
= = Constante de decaimento radioativo (Constante de decaimento radioativo (radioactive decay constantradioactive decay constant))
t = t = ttempo gasto desde que iniciou o decaimento radioativo empo gasto desde que iniciou o decaimento radioativo
Para isotópos Para isotópos RadiogRadiogêênicnicos os (Daughter) (Daughter) :: D = DD = D0 0 + D+ D**
DD == quantidade de isotópo filho quantidade de isotópo filho (daughter)(daughter)num determinado tempo tnum determinado tempo t
DD0 0 == Quantidade inicial de isotópo radiogênico no sistemaQuantidade inicial de isotópo radiogênico no sistema
DD** = = Quantidade de isotópo Quantidade de isotópo radiogradiogêênicnico produzido pelo decaimento o produzido pelo decaimento radioativ radioativoo
Equação do decaimento Radioativo :
Tempo para Np Np/22/10
0
2t
pp eN
N
2/12
1ln t
2/12ln t
693.2ln
2/1 t
Meia Vida
Equação de Decaimento
pp Nt
N
t
N
N
p
p
CtN p ln
tN
N
p
p
0
ln
Com t = 0 Np=Np0 então C = ln Np
0
tpp eNN 0
DD** = N = N00 – N – N N = NN = N00 e e--t t NN00 = N e = N et t
DD** = N e = N et t - N - N DD** = N (e = N (et t - 1)- 1)
D =D = DD00 + D + D** D = DD = D00 + N (e + N (et t - 1)- 1)
Isotopos Isotopos RadioativRadioativosos (parent) (parent) Isotópos Isotópos RadiogRadiogêênicnicosos (daughter) (daughter) 8787Rb Rb 8787SrSr 147147Sm Sm 143143NdNd 238238U U 206206PbPb 235235U U 207207PbPb 232232Th Th 208208PbPb
((8787Sr) = (Sr) = (8787Sr)Sr)00 + ( + (8787Rb) (eRb) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)
((143143Nd) = (Nd) = (143143Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm) (eSm) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)
((206206Pb) = (Pb) = (206206Pb)Pb)00 + ( + (238238U) (eU) (e(238U)t(238U)t-1)-1)
((207207Pb) = (Pb) = (207207Pb)Pb)00 + ( + (235235U) (eU) (e(235U)t(235U)t-1)-1)
((208208Pb) = (Pb) = (208208Pb)Pb)00 + ( + (232232Th) (eTh) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)
Parâmetros de Parâmetros de DecDecaimento relativos aimento relativos aos sistemasaos sistemas
Rb-Sr, Sm-Nd, U-Pb ve Th-PbRb-Sr, Sm-Nd, U-Pb ve Th-PbDecay EquationsDecay Equations DecayDecay
Constants Constants (y(y-1-1))
Half-lifeHalf-life (y)(y)
ReferencReference e
IsotopeIsotope
8787Rb Rb 8787Sr + Sr + -- 1.42 x 101.42 x 10-11-11 48.8 x 1048.8 x 1099 8686SrSr
147147Sm Sm 143143Nd + Nd + 6.54 x 106.54 x 10-12-12 106 x 10106 x 1099 144144NdNd
238 238 U U 206 206 Pb + 8 Pb + 8 1.5511 x 101.5511 x 10-10-10 4.268 x 104.268 x 1099 204204PbPb
235 235 U U 207 207 Pb + 7 Pb + 7 9.8485 x 109.8485 x 10-10-10 0.7038 x 100.7038 x 1099 204204PbPb
232 232 Th Th 208 208 Pb + 6 Pb + 6 4.9475 x 104.9475 x 10-11-11 14.010 x 1014.010 x 1099 204204PbPb
((8787Sr) = (Sr) = (8787Sr)Sr)00 + ( + (8787Rb) (eRb) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)(143(143Nd) = (Nd) = (143143Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm) (eSm) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)
(206(206Pb) = (Pb) = (206206Pb)Pb)00 + ( + (238238U) (eU) (e(238U)t(238U)t-1)-1) D = DD = D00 + +
DD**
(207(207Pb) = (Pb) = (207207Pb)Pb)00 + ( + (235235U) (eU) (e(235U)t(235U)t-1)-1)(208(208Pb) = (Pb) = (208208Pb)Pb)00 + ( + (232232Th) (eTh) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)
((8787Sr/Sr/8686Sr) = (Sr) = (8787Sr/Sr/8686Sr)Sr)00 + + ((8787Rb/Rb/8686Sr) (eSr) (e(87Rb)t(87Rb)t-1)-1)
((143143Nd/Nd/144144Nd) = (Nd) = (143143Nd/Nd/144144Nd)Nd)00 + ( + (147147Sm/Sm/144144Nd) (eNd) (e(147Sm)t(147Sm)t-1)-1)
((206206Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (206206Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (238238U/U/204204Pb) (ePb) (e(238U)t(238U)t-1)-1)
((207207Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (207207Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (235235U/U/204204Pb) (ePb) (e(235U)t(235U)t-1)-1)
((208208Pb/Pb/204204Pb) = (Pb) = (208208Pb/Pb/204204Pb)Pb)00 + ( + (232232Th/Th/204204Pb) (ePb) (e(232Th)t(232Th)t-1)-1)
y = a + x . by = a + x . b
Equação da isocrónaEquação da isocróna
Em geologia, uma prática comum é normalizar a abundância dos isotópos radioativos (pai) e radiogênicos (filhos) por um isotópo estavél do elemento radiogênico, que é chamado de
“isotópo de referência”
Radioativos/RadiogênicosRadioativos/Radiogênicos
147147SmSm 143143NdNd
8787RbRb 8787SrSr
187187ReRe 187187OsOs
176176LuLu 176176HfHf
235235UU 207207PbPb
238238UU 206206PbPb
232232ThTh 208208PbPb
4040KK 4040ArAr
138138LaLa 138138BaBa
Nuclídeo Radioativo
Abundância Natural (%)
Nuclídeo Radiogênico
Tipo de Decaimento
Constante de Desintegração
Meia Vida (anos) – T½
Potássio 40 0,01167 Argônio 40
Cálcio 40
Captura K
0,581 10-10 anos-1
4,962 10-10 anos-1
1,25 109
Rubídio 87 27,85 Estrôncio 87 1,42 10-11 anos-1 48,8 109
Samário 147 14,97 Neodímio 143 0,654 10-11 anos-1 106,0 109
Lutécio 176 2,59 Háfnio 176 1,98 10-11 anos-1 35,0 109
Rênio 187 62,93 Ósmio 187 1,61 10-11 anos-1 43,0 109
Tório 232 100,0 Chumbo 208 6 + 4 4,947 10-11 anos-1 14,0 109
Urânio 235 0,72 Chumbo 207 7 + 4 9,848 10-10 anos-1 0,704 109
Urânio 238 99,27 Chumbo 206 8 + 6 1,551 10-10 anos-1 4,47 109
Nuclídeo Radioativo
Abundância Natural (%)
Nuclídeo Radiogênico
Tipo de Decaimento
Constante de Desintegração
Meia Vida (anos) – T½
Potássio 40 0,01167 Argônio 40
Cálcio 40
Captura K
0,581 10-10 anos-1
4,962 10-10 anos-1
1,25 109
Rubídio 87 27,85 Estrôncio 87 1,42 10-11 anos-1 48,8 109
Samário 147 14,97 Neodímio 143 0,654 10-11 anos-1 106,0 109
Lutécio 176 2,59 Háfnio 176 1,98 10-11 anos-1 35,0 109
Rênio 187 62,93 Ósmio 187 1,61 10-11 anos-1 43,0 109
Tório 232 100,0 Chumbo 208 6 + 4 4,947 10-11 anos-1 14,0 109
Urânio 235 0,72 Chumbo 207 7 + 4 9,848 10-10 anos-1 0,704 109
Urânio 238 99,27 Chumbo 206 8 + 6 1,551 10-10 anos-1 4,47 109
Crescimento do Isotópo Radiogênico
ppd NNN 0*
tpp eNN 0
1* tpp
tpd eNNeNN
10 tpdd eNNN
*0ddd NNN se há isótopo radiogênico no início
10
t
sd
p
sd
d
sd
d eN
N
N
N
N
N
Aplicação no Método Rb-Sr
87Rb 85Rb
+1 ion
84Sr 86Sr 87Sr 88Sr
+2 ion
87Rb 86Sr + e- decaimento beta
186
87
86
87
86
87
0
te
Sr
Rb
Sr
Sr
Sr
Sr
= 1.42 E-11 yr-1 t = 48.8 E9 yr
Construção da Isócrona Rb-Sr
186
87
86
87
86
87
0
te
Sr
Rb
Sr
Sr
Sr
Sr
XmYY 0
1 tem
1ln
mt
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
Rb-87/Sr-86
Sr-
87
/Sr-
86
A B C 0 Ma 500 Ma 1000 Ma 4000 Ma
Initial Formation
Measured today
Metamorfismo
Tempo GeológicoHoje
tign xyst
Sr
Sr86
87
xystignSr
Sr86
87
tmet
metSr
Sr86
87
BABI0.69897
0.7014
0.70340.7045
0.714
0.7211
0.6950
0.7000
0.7050
0.7100
0.7150
0.7200
0.7250
00.511.522.533.544.55
T (Ga)
87S
r/8
6S
r
Manto [Rb/Sr = 0.03]
Crosta Continental [ Rb/Sr = 0.17]
39K 40K 41K
+1 ion
36Ar 38Ar 39Ar 40Ar
89% decaimento beta 40K 40Ca + e-
= 4.962E-11 yr-1
11% captura de electron 40K + e- 40Ar
e = 0.581E-10 yr-1
Total T = 5.543-10 yr-1
Método Potássio-Argônio
Equação da idade K-Ar
11
40
40
e
T
T K
Art
1400
4040 t
T
e TeKArAr
Temperatura de Retenção
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 10 100 1000 10000
Distância do contato
Idad
e K
-Ar
(Ma
)
Hnbd Biotita Kspar
Taxas de Resfriamento
250°C
500°C Hornblende98 Ma
Biotite88 Ma
Biotitelosing Ar
250°C10 Ma
40Ar-39Ar
Fração de 39Ar
Idad
e (M
a)
Idade Plateau
Análises donúcleo
Análises dasbordas
147Sm
+3 ion
143Nd 144Nd
+3 ion
147Sm 143Nd + 4He decaimento alpha
1144
147
144
143
144
143
0
te
Nd
Sm
Nd
Nd
Nd
Nd
= 0.654 E-11 yr-1 t = 106 E9 yr
Método Samário-Neodímio
Idade Modelo TCHUR
1144
147
144
143
144
143
t
CHURCHURCHUR
eNd
Sm
Nd
Nd
Nd
Nd
todaytodayt
CHondritic Uniform Reservoir
4
144
143
144
143
101
CHUR
sampleNd
NdNd
NdNd
Reservatórios de Nd
0.506
0.507
0.508
0.509
0.510
0.511
0.512
0.513
0.514
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Time (Ga)
Nd
-14
3/N
d-1
44
CHUR mafic DM
Diagrama de Evolução Isotópica de Nd
238U 235U
+2 ion, +4 ion
206Pb 207Pb 208Pb 204Pb
+2 ion
238U 8 = 1.55125 E-10 yr-1 t½ = 4.468 E9 yr
Sistema U-Th-Pb
232Th
+4 ion
235U 5 = 9.8485 E-10 yr-1 t½ = 0.7038 E9 yr
232Th 2 = 14.010 E-10 yr-1 t½ = 4.9475 E9 yr
92
234U
238U
91 234Pa
90230Th
234Th
89
.
.
88226Ra
87
.
.
86
218Rn
222Rn apha decay
85 218At beta decay
84
210Po
214Po
218Po years
83 210Bi
214Bi days
82
206Pb
210Pb
214Pb minute or less
81
206Tl
210Tl
80206Hg
124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
Decaimento 238U
N
Z
Equações Isocrônicas
18
204
238
0204
206
204
206
t
measured
ePb
U
Pb
Pb
Pb
Pb
15
204
235
0204
207
204
207
t
measured
ePb
U
Pb
Pb
Pb
Pb
12
204
232
0204
208
204
208
t
measured
ePb
Th
Pb
Pb
Pb
Pb
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
4.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Pb207/U235
Pb
206/
U23
8
Concordia Discordia
Diagrama da Concórdia
tformation
tloss ?
Pb lossU gain
U loss
8
10
12
14
16
18
20
8 10 12 14 16 18 20 22 24
Pb-206/Pb-204
Pb
-207
/Pb
-204
mu12 mu10 mu8 0 2.0 Ga 3.5Ga
Pb comum
Primeval Pb
A Geocronologia se desenvolveu paralelamente à evolução dos conhecimentos da Física Nuclear
Os métodos de datação geocronológicos se baseiam nos conhecimentos sobre as propriedades radioativas dos elementos
As idades obtidas pelos métodos geocronológicos são calculadas a partir das quantidades de isótopos radioativos e radiogênicos presentes em rochas ou minerais.
Conclusões