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Anexo:Isótopos de torio

El torio (90Th) tiene siete isótopos naturales, pero ninguno es estable. Un isótopo, 232Th, es relativamente estable, con una vida media de 1,405×1010 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 el torio se consideró mononucleico. Sin embargo, en 2013, la IUPAC reclasificó el torio como binuclídico, debido a las grandes cantidades de 230Th en el agua de mar profunda. El torio tiene una composición isotópica terrestre característica y, por lo tanto, se puede dar un peso atómico estándar.

Se han caracterizado 31 radioisótopos, siendo los más estables el 232Th, el 230Th con una vida media de 75,380 años, el 229Th con una vida media de 7,917 años, [1] y el 228Th con una vida media de 1,92 años. Todos los isótopos radioactivos restantes tienen vidas medias inferiores a treinta días y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a diez minutos. Un isótopo, 229Th, tiene un isómero nuclear (o estado metaestable) con una energía de excitación notablemente baja,[1]​ de 8,28 ± 0,17 eV.[2]​ Se ha propuesto realizar espectroscopía láser del núcleo 229Th y utilizar la transición de baja energía para el desarrollo de un reloj nuclear de precisión extremadamente alta.[3]​[4]​

Los isótopos conocidos del torio varían en número másico de 208[5]​ a 238.

Tablas de isótopos

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Símbolo
del nucleido 		Z(p) N(n)  
Masa isotópica (u)
  		Vida media Método(s) de
decaimiento[6]​[n 1]​ 		Isótopo(s)
hijo(s)[n 2]​ 		Espín
nuclear 		Rango de variación
natural
(fracción molar)
Energía de excitación
208Th[5]​ 90 118 208.01791(4) 1.7(+1.7-0.6) ms α 204Ra 0+
209Th[7]​ 90 119 209.01772(11) 7(5) ms
[3.8(+69−15)] 		α 205Ra 5/2−#
210Th 90 120 210.015075(27) 17(11) ms
[9(+17−4) ms] 		α 206Ra 0+
β+ (raro) 210Ac
211Th 90 121 211.01493(8) 48(20) ms
[0.04(+3−1) s] 		α 207Ra 5/2−#
β+ (raro) 211Ac
212Th 90 122 212.01298(2) 36(15) ms
[30(+20-10) ms] 		α (99.7%) 208Ra 0+
β+ (.3%) 212Ac
213Th 90 123 213.01301(8) 140(25) ms α 209Ra 5/2−#
β+ (raro) 213Ac
214Th 90 124 214.011500(18) 100(25) ms α 210Ra 0+
215Th 90 125 215.011730(29) 1.2(2) s α 211Ra (1/2−)
216Th 90 126 216.011062(14) 26.8(3) ms α (99.99%) 212Ra 0+
β+ (.006%) 216Ac
216m1Th 2042(13) keV 137(4) μs (8+)
216m2Th 2637(20) keV 615(55) ns (11−)
217Th 90 127 217.013114(22) 240(5) μs α 213Ra (9/2+)
218Th 90 128 218.013284(14) 109(13) ns α 214Ra 0+
219Th 90 129 219.01554(5) 1.05(3) μs α 215Ra 9/2+#
β+ (10−7%) 219Ac
220Th 90 130 220.015748(24) 9.7(6) μs α 216Ra 0+
CE (2×10−7%) 220Ac
221Th 90 131 221.018184(10) 1.73(3) ms α 217Ra (7/2+)
222Th 90 132 222.018468(13) 2.237(13) ms α 218Ra 0+
CE (1.3×10−8%) 222Ac
223Th 90 133 223.020811(10) 0.60(2) s α 219Ra (5/2)+
224Th 90 134 224.021467(12) 1.05(2) s α 220Ra 0+
β+β+ (raro) 224Ra
DR 208Pb
16O
225Th 90 135 225.023951(5) 8.72(4) min α (90%) 221Ra (3/2)+
CE (10%) 225Ac
226Th 90 136 226.024903(5) 30.57(10) min α 222Ra 0+
227Th 90 137 227.0277041(27) 18.68(9) d α 223Ra 1/2+ Traza[n 3]​
228Th 90 138 228.0287411(24) 1.9116(16) y α 224Ra 0+ Traza[n 4]​
DR (1.3×10−11%) 208Pb
20O
229Th 90 139 229.031762(3) 7.34(16)×103 y α 225Ra 5/2+ Traza[n 5]​
229mTh 8.3(2) eV[2]​ 7(1) μs[8]​ TI 229Th 3/2+
230Th[n 6]​ 90 140 230.0331338(19) 7.538(30)×104 y α 226Ra 0+ 0.0002(2)[n 7]​
DR (5.6×10−11%) 206Hg
24Ne
FE (5×10−11%) (varios)
231Th 90 141 231.0363043(19) 25.52(1) h β− 231Pa 5/2+ Traza[n 3]​
α (10−8%) 227Ra
232Th[n 8]​ 90 142 232.0380553(21) 1.405(6)×1010 y α 228Ra 0+ 0.9998(2)
β−β− (raro) 232U
FE (1.1×10−9%) (varios)
DR (2.78×10−10%) 182Yb
26Ne
24Ne
233Th 90 143 233.0415818(21) 21.83(4) min β− 233Pa 1/2+
234Th 90 144 234.043601(4) 24.10(3) d β− 234mPa 0+ Traza[n 7]​
235Th 90 145 235.04751(5) 7.2(1) min β− 235Pa (1/2+)#
236Th 90 146 236.04987(21)# 37.5(2) min β− 236Pa 0+
237Th 90 147 237.05389(39)# 4.8(5) min β− 237Pa 5/2+#
238Th 90 148 238.0565(3)# 9.4(20) min β− 238Pa 0+
  1. ↑ Abreviaciones:
    CE: Captura electrónica
    TI: Transición isomérica
    DR: Desintegración de racimo
    FE: Fisión espontánea
  2. ↑ Negrilla para los isótopos con vida media más larga que la edad del Universo
  3. ↑ a b Producto de decaimiento intermedio de 235U
  4. ↑ Producto de decaimiento intermedio de 232Th
  5. ↑ Producto de decaimiento intermedio de 237Np
  6. ↑ Utilizado en la datación uranio-torio
  7. ↑ a b Producto de decaimiento intermedio de 238U
  8. ↑ Radioisótopo primordial

Isótopos notables

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Torio 229

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229Th es un isótopo radioactivo de torio que se desintegra por emisión alfa con una vida media de 7917 años. [1] El 229Th se produce por la desintegración del 233U, y su uso principal es para la producción de los isótopos médicos 225Ac y 213Bi.[9]​

Torio 229m

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En 1976, la espectroscopia de rayos gamma indicó por primera vez que 229Th tiene un isómero nuclear, 229mTh, con una energía de excitación notablemente baja.[10]​ En ese momento, se infirió que la energía estaba por debajo de 100 eV, basándose puramente en la no observación de la desintegración directa del isómero. Sin embargo, en 1990, nuevas mediciones llevaron a la conclusión de que la energía está casi con certeza por debajo de 10 eV, [19] haciendo que el isómero sea el de menor energía de excitación conocida. En los años siguientes, la energía se limitó aún más a 3,5 ± 1 eV, que fue durante mucho tiempo el valor energético aceptado.[11]​ Esta baja energía pronto despertó cierto interés, ya que conceptualmente permite la excitación directa del estado nuclear,[12]​ Such low energy soon raised some interest as it conceptually allows for direct laser excitation of the nuclear state,[13]​ lo que conduce a algunas aplicaciones potenciales interesantes, como el desarrollo de un reloj nuclear de muy alta precisión[3]​[4]​ o como un qubit para la computación cuántica.[14]​ La excitación nuclear de 229mTh y, por lo tanto, también el desarrollo de un reloj nuclear se ha visto impedido hasta ahora por un conocimiento insuficiente sobre las propiedades isoméricas. Un conocimiento preciso de la energía isomérica es de particular importancia en este contexto, ya que determina la tecnología láser requerida y acorta los tiempos de exploración en la búsqueda de la excitación directa. Esto desencadenó una multitud de investigaciones, tanto teóricas como experimentales, tratando de determinar con precisión la energía de transición y especificar otras propiedades del estado isomérico de 229mTh (como la vida útil y el momento magnético).[15]​

La observación directa de los fotones emitidos en la desintegración isomérica ayudaría significativamente a precisar el valor de la energía isomérica. Desafortunadamente, hasta hoy, no ha habido un informe completamente concluyente sobre la detección de fotones emitidos en la desintegración de 229mTh. En cambio, en 2007 se llevaron a cabo mediciones mejoradas de espectroscopía de rayos gamma utilizando un microcalorímetro de rayos X de alta resolución avanzado, lo que arrojó un nuevo valor para la energía de transición de E = 7,6 ± 0,5 eV, [24] corregido a E = 7,8 ± 0,5 eV en 2009.[16]​ Este cambio en la energía isomérica de 3,5 eV a 7,8 eV posiblemente explica por qué varios intentos iniciales de observar directamente la transición no tuvieron éxito. Aun así, la mayoría de las búsquedas recientes de luz emitida en la desintegración isomérica no lograron observar ninguna señal,[17]​[18]​[19]​[20]​ apuntando hacia un canal de desintegración no radiativo potencialmente fuerte. En 2012[21]​ y nuevamente en 2018 se reclamó una detección directa de fotones emitidos en la desintegración isomérica.[22]​ Sin embargo, ambos informes están actualmente sujetos a discusiones controvertidas dentro de la comunidad.[23]​[24]​

En 2016 se logró una detección directa de los electrones emitidos en el canal de desintegración de conversión interna de 229mTh.[25]​ 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 espectroscopía electrónica no óptica de los electrones de conversión interna emitidos en la desintegración isomérica permitió una determinación de la energía de excitación del isómero a 8,28 ± 0,17 eV, lo que representa el valor de energía más preciso en la actualidad. [4] Sin embargo, este valor parece estar en desacuerdo con la preimpresión de 2018 que muestra que se puede mostrar una señal similar a la de un fotón VUV de xenón de 8,4 eV, pero con aproximadamente 1,3 ± 0,2 eV menos de energía y una vida útil de 1880 segundos.[22]​ En ese documento, 229mTh estaba incrustado en SiO2, lo que posiblemente provocó un cambio de energía y una vida útil alterada, aunque los estados involucrados son principalmente nucleares, protegiéndolos de las interacciones electrónicas.

Como peculiaridad de la energía de excitación extremadamente baja, la vida útil de 229mTh depende en gran medida del entorno electrónico del núcleo. En los iones 229Th, el canal de desintegración de conversión interno está prohibido energéticamente, ya que la energía isomérica está por debajo de la energía que se requiere para una mayor ionización de Th+. Esto conduce a una vida útil que puede acercarse a la vida útil radioactiva de 229mTh, para la cual no existe ninguna medición, pero que teóricamente se ha predicho que está en el rango de 103 a 104 segundos.[26]​[27]​ Experimentalmente, para los iones 229mTh+2 y 229mTh+3+, se encontró una vida útil isomérica de más de 1 minuto.[25]​ En contraposición a eso, en átomos neutros 229Th se permite el canal de desintegración de conversión interna, lo que lleva a una vida útil isomérica que se reduce en 9 órdenes de magnitud a aproximadamente 10 microsegundos.[28]​[26]​ De hecho, en 2017 se confirmó una vida útil en el rango de unos pocos microsegundos para átomos neutros de 229mTh unidos a la superficie, según la detección de la señal de desintegración de conversión interna.[8]​

En 2019, la energía de excitación del isómero se limitó a 8,28 ± 0,17 eV en función de la detección directa de electrones de conversión internos[2]​ Las mediciones adicionales realizadas por un grupo diferente en 2020 arrojaron una cifra de 8,10 ± 0,17 eV (153,1 ± 3,2 nm de longitud de onda).[29]​ Combinando estas medidas, tenemos una energía de transición esperada de 8,12 ± 0,11 eV.[30]​

El estado excitado de 29 189,93 eV de 229mTh decae al estado isomérico con una probabilidad del 90 %. Ambas mediciones son otros pasos importantes hacia el desarrollo de un reloj nuclear. Además, los experimentos de espectroscopia gamma confirmaron la división de energía de 8,3 eV desde la distancia hasta el nivel de 29 189,93 eV.[31]​ 8,28 eV (150 nm) es alcanzable como un séptimo armónico de un láser de fibra de iterbio mediante un peine de frecuencia VUV.[32]​[33]​[34]​ Puede estar disponible la adaptación de fase de onda continua para la generación de armónicos.[35]​

Torio 231

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El 231Th tiene 141 neutrones. Es el producto de la desintegración del 235U. Se encuentra en cantidades muy pequeñas en la tierra y tiene una vida media de 25,5 horas.[36]​ Cuando se descompone, emite una partícula beta y forma 231Pa. Tiene una energía de desintegración de 0,39 MeV. Tiene una masa de 231,036 3043 gramos/mol.

Torio 232

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El 232Th es el único nucleido primordial de torio y constituye efectivamente todo el torio natural, con otros isótopos de torio que aparecen solo en cantidades mínimas.[37]​ 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 208Pb. El resto de la cadena es rápido; las semividas más largas en él son 5,75 años para el 228Ra y 1,91 años para el 228Th, con todas las demás semividas que suman menos de 15 días.[38]​

El 232Th es un material fértil capaz de absorber un neutrón y someterse a transmutación en el nucleido fisible 233Th, que es la base del ciclo del combustible del torio.[39]​ En forma de Thorotrast, una suspensión de dióxido de torio, se utilizó como medio de contraste en los primeros diagnósticos de rayos X. El 232Th ahora se clasifica como cancerígeno.[40]​

Torio 233

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233Th es un isótopo de torio que se desintegra en 233Pa a través de la desintegración beta. Tiene una vida media de 21,83 minutos.[41]​

Referencias

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  1. ↑ E. Ruchowska (2006). «Nuclear structure of 229Th». Phys. Rev. C 73 (4): 044326. Bibcode:2006PhRvC..73d4326R. doi:10.1103/PhysRevC.73.044326. 
  2. ↑ a b c Seiferle, B.; von der Wense, L.; Bilous, P.V.; Amersdorffer, I.; Lemell, C.; Libisch, F.; Stellmer, S.; Schumm, T.; Düllmann, C.E.; Pálffy, A.; Thirolf, P.G. (12 de septiembre de 2019). «Energy of the 229Th nuclear clock transition». Nature 573 (7773): 243-246. Bibcode:2019Natur.573..243S. PMID 31511684. arXiv:1905.06308. doi:10.1038/s41586-019-1533-4. 
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  8. ↑ a b Seiferle, B.; von der Wense, L.; Thirolf, P.G. (2017). «Lifetime measurement of the 229Th nuclear isomer». Phys. Rev. Lett. 118 (4): 042501. Bibcode:2017PhRvL.118d2501S. PMID 28186791. arXiv:1801.05205. doi:10.1103/PhysRevLett.118.042501. 
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