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La luminiscencia de
los depósitos fluviales
secreto guardado en los granos minerales
Esperanza Muñoz Salinas
     
     
       
                       
La luminiscencia es un efecto óptico descrito por la Real
Academia de la Lengua Española como: “propiedad de despedir luz sin elevación de temperatura y visible casi sólo en la oscuridad, como la que se observa en las luciérnagas, en las maderas y en los pescados putrefactos, en minerales de uranio y en varios sulfuros metálicos”. Es resultado de distintos procesos que en algunos casos obedecen a consecuencias biológicas, como ocurre en las luciérnagas y, en otros, a fenómenos fisicoquímicos como la radiactividad —ejemplo de ello es la radiación natural en los granos minerales de uranio—, que es el que aquí trataremos.

La radioactividad fue descubierta en forma accidental en el uranio por Henri Becquerel en 1896. Posteriormente, las investigaciones de Pierre y Marie Curie, asesoradas por él, mostraron el mismo efecto en el polonio y el radio, por lo que dieron el nombre de radiactividad al efecto descubierto por su maestro. Pero, ¿qué es la radiactividad? Es frecuente escuchar hablar de este fenómeno por sus muchas aplicaciones en la actualidad, algunas de las cuales han desencadenado tragedias como las catástrofes en las centrales nucleares de Chernobyl en 1986 y en Fukushima en 2011, así como las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki. No obstante, la radiactividad está presente en prácticas que constituyen un beneficio para el ser humano, como las aplicaciones médicas orientadas a la curación del cáncer (la radioterapia), la esterilización de cierto tipo de alimentos y la obtención de energía eléctrica, entre otras.

A pesar de que el descubrimiento de la radiactividad es algo reciente, ésta existe desde el inicio del universo. En la Tierra, como también ocurre en otros planetas, la radioactividad se relaciona con elementos químicos inestables que generan radiación de manera natural. Sabemos que un elemento químico es igual a un átomo y que éste se compone de un número determinado de protones y neutrones presentes en el núcleo y de electrones que orbitan alrededor de éste. El número de protones de un átomo se llama número atómico, y es el que define el nombre del elemento químico en la tabla periódica. En principio, la mayoría de los átomos tienden a contener el mismo número de neutrones que de protones en el núcleo, por lo que hay un equilibrio. Sin embargo, en algunos casos el número de neutrones no es igual al de protones, lo cual produce un isótopo que puede ser inestable, ya que el núcleo no se encuentra en equilibrio y, por ello, se somete a un proceso de cambio que supone la pérdida de uno o más neutrones o protones, hasta convertirse en un elemento estable.

Todo lo que conlleva una ruptura de los enlaces atómicos, conocida como fisión nuclear, libera una gran cantidad de energía, la cual es emitida de manera constante hasta que el núcleo atómico quede en equilibrio. Esto supone la emanación de tres posibles tipos de rayos, conocidos como alfa, beta y gamma. Los rayos alfa están compuestos de un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones, que recorren tan sólo algunos centímetros desde su lugar de emisión y pueden quedar atrapados fácilmente en una superficie de papel, de tela o en la piel. Los rayos beta están compuestos por un electrón y tienen un alcance de varios metros y, por ser más ligeros que los alfa, pueden atravesar las superficies que dejan atrapados a los núcleos de helio pero son detenidos en superficies de aluminio. Los rayos gamma no tienen masa y son una emanación electromagnética, son muy energéticos y pueden desplazarse hasta varios cientos de metros y atravesar gran cantidad de cuerpos, pero quedan confinados en superficies de alta densidad como las de plomo de más de un centímetro de grosor. Por tanto, la radiactividad es un fenómeno fisicoquímico mediante el cual se irradia energía desde un núcleo atómico.

La luminiscencia

Los resultados de la irradiación son diversos, por ejemplo, los rayos gamma son capaces de ionizar los electrones dentro de un átomo, es decir de movilizarlos de su órbita habitual hacia una de mayor energía. Cuando los átomos se unen químicamente con otros en enlaces covalentes —en los cuales uno o varios electrones son compartidos por dos o más átomos—, se habla de minerales semiconductores; cuando éstos son expuestos a una radiación ionizante puede provocar la movilización de ciertos electrones de la banda de valencia (región cercana a los núcleos de los átomos) a la de conducción (región más alejada de los núcleos, donde los electrones tienen cierta libertad para desplazarse), en la cual puede existir imperfecciones dentro de la red cristalina y algunos electrones quedar atrapados en tales espacios.

Cuando los electrones almacenados en espacios más energéticos a su posición habitual son estimulados mediante la radiación electromagnética dentro del espectro visible, pueden retornar a sus órbitas habituales. En el caso de los enlaces químicos en semiconductores, los electrones pueden abandonar las imperfecciones localizadas en la banda de conducción y reintegrarse a la de valencia. En ambos casos, el retorno conlleva una pérdida de energía, que se compensa con la emisión de fotones que producen un haz de luz. Así, la irradiación ionizante procedente de la radiactividad natural que tiene lugar en los suelos por isótopos de uranio, torio y potasio genera que ciertos electrones se desplacen a imperfecciones de la red cristalina como semiconductores, que es el caso de los granos minerales de cuarzo. De esta manera, cuando los granos de cuarzo son expuestos a la luz solar, emiten fotones, y en este fenómeno se basa la luminiscencia que tiene lugar en los granos minerales.

El cuarzo es el mineral más extendido sobre la superficie terrestre, y es por ello que los ríos desplazan este mineral. La dureza del cuarzo lo hace resistente a la alteración mecánica y sus cualidades como semiconductor permiten que sea sólido a la modificación química. De esta manera, los granos de cuarzo están habitualmente presentes en los depósitos abandonados por los ríos tanto en sus cursos alto, medio y bajo, en donde es frecuente la existencia de isótopos de uranio, torio y potasio en mayor o menor proporción. Como resultado de la radiación ionizante producto de la radioactividad natural existente en los depósitos fluviales, los granos de cuarzo acumulan energía mediante la movilización de sus electrones a la banda de conducción, la cual será cada vez mayor si el grano de cuarzo no recibe luz solar o, en otras palabras, mientras el grano de cuarzo se encuentre enterrado. Así, el número de electrones atrapados en la banda de conducción guarda una relación directa con la radiactividad a la que ha sido expuesto el grano mineral. Por lo tanto, si se calcula, por una parte, la radioactividad en un depósito y, por otra, la cantidad de electrones atrapados en la banda de conducción en los granos de cuarzo, se puede estimar el tiempo que lleva el sedimento enterrado, de lo cual se puede obtener una edad del depósito.

A fin de conocer la cantidad de electrones atrapados en la banda de conducción, los granos de cuarzo se mantienen en la oscuridad desde su lugar de extracción y se llevan al laboratorio. Allí se estimulan de manera artificial con un espectro electromagnético definido, generalmente dentro del visible, donde se cuenta el número de fotones emitidos. Los estudios de luminiscencia en granos minerales comenzaron a realizarse en 1986 con Huntley y sus colaboradores y la técnica se conoce como luminiscencia óptica estimulada que, en la actualidad, es una técnica muy fiable y que empieza a tener bastante uso en la comunidad científica.

Conclusiones

La radiactividad es un fenómeno fisicoquímico que convive con el ser humano y tiene lugar desde el origen del universo. La luminiscencia que se estudia en ciertos granos minerales es consecuencia directa de la radiactividad y se puede analizar para conocer la edad de los sedimentos que dejan los ríos.

El estudio de esta luminiscencia se puede considerar el “secreto” que guardan los granos minerales, ya que nos ayudan a comprender mejor el tiempo que tardan los ríos en transportar el material que es fruto de la erosión de los sistemas montañosos. Los ríos son uno de los elementos más importantes en la transformación de nuestro relieve terrestre y, por ello, el estudio de la luminiscencia en los sedimentos de origen fluvial es una herramienta de vital importancia para conocer mejor los procesos que operan en la superficie terrestre. Las investigaciones en este campo arrojarán muy pronto nuevos e interesante resultados sobre el comportamiento que tienen los grandes sistemas fluviales.

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Referencias bibliográficas

Aitken, M. J. 1995. “Thermoluminescence dating: past progress and future trends”, en Nuclear Tracks, vol. 10, pp. 3-6.
1998. An Introduction to Optical Dating. The Dating of Quaternary Sediments by the Use of Photon-Stimulated Luminescence. Oxford University Press, Nue-va York.
Duller, G. A. 2008. “Single-grain optical dating of Quaternary sediments: why aliquot size matters in luminescence dating”, en Boreas, vol. 37, pp. 589-612.
Huntley, D. J., D. I. Godfrey-Smith y M. L. W. Thewalt. 1985. “Optical dating of sediments”, en Nature, vol. 313, pp. 105-107.
Muñoz-Salinas, E., P. Bishop, D. Sanderson y J. Zamorano. 2011. “Interpreting luminescence data from a por-table osl reader: three case studies in fluvial settings”, en Earth Surface Processes and Landforms, vol. 36, pp. 651-660.
Wintle A. G. y A. S. Murray. 2006. “A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single-aliquot regeneration dating protocols”, en Radiation Measurements, vol. 41, pp. 369-391.

       
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Esperanza Muñoz Salinas
Instituto de Geología,
Universidad Nacional Autónoma de México.
       
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como citar este artículo
Muñoz Salinas, Esperanza. (2013). La luminiscencia de los depósitos fluviales secreto guardado en los granos minerales. Ciencias 107-108, julio 2012-febrero 2013, 76-79. [En línea]
       

 

 

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