Isótopos

Por Juliana Leonel

Muitas são as ferramentas que foram divisores de águas nos avanços dos estudos oceanográficos. Assim como o CTD nos permitiu medir salinidade e temperatura das diferentes camadas do oceano, os métodos de geofísica nos permitiram entender o que há nas camadas de sedimento e rocha do fundo oceânico.

Uma ferramenta que ganhou destaque nas ciências do mar na última década, devido aos avanços analíticos que permitiram um aumento nas suas aplicações, é a assinatura isotópica de diferentes elementos químicos em diferentes matrizes ambientais. Os isótopos, estáveis e radioativos, permitem desde a datação de materiais até a entender mudanças na circulação oceânica que ocorreram há milhares de anos, bem como nos ajuda a entender a evolução da atmosfera terrestre e permite estudar o intemperismo através do tempo geológico.

Mas o que são isótopos?

São átomos de um mesmo elemento químico (X) que possuem a mesma quantidade de prótons, mas diferente número de nêutrons, ou seja, tem o mesmo número atômico (Z) e diferente número de massa (A).

Em geral, nos referimos aos isótopos dos elementos da seguinte forma: 14C, 18O, 34S etc, os quais lemos como: carbono-14, oxigênio-18, enxofre-34. A exceção é o hidrogênio, pois seus isótopos recebem nomes específicos: 1H, 2H e 3H são, respectivamente, Prótio, Deutério e Trítio.

Quando a combinação de nêutrons e prótons no núcleo de um isótopo lhe dá estabilidade, ele não sofre decaimento radioativo ao longo do tempo e é chamado de isótopo estável. Isso significa, por exemplo, que o 13C não se transformará em outro elemento. Porém, quando o isótopo tem um núcleo instável ele irá sofrer decaimento radioativo em busca de estabilidade e nesse processo poderá formar outro elemento; por exemplo o 14C ao decair irá formar o 14N. O decaimento radioativo é um processo em que o núcleo instável de um elemento libera energia e ocorre perda/ganho de elétrons ou prótons ou nêutrons formando outro elemento.

Diferentes elementos químicos têm diferentes números de isótopos e um mesmo elemento pode ter isótopos estáveis e radioativos.

A proporção entre os diferentes isótopos estáveis de um mesmo elemento varia em função de cada elemento.

A proporção entre a abundância de diferentes isótopos de um elemento em uma amostra é chamada de razão isotópica ou composição isotópica ou assinatura isotópica. As variações na razão isotópica são chamadas de fracionamento isotópico e ocorrem em função:

Essas pequenas diferenças são responsáveis pelas diferentes proporções de isótopos em uma determinada amostra. No entanto, dependendo do elemento, pode ocorrer ou não o fracionamento isotópico: enquanto a evaporação leva ao fracionamento isotópico do oxigênio, o mesmo não ocorre para os isótopos de carbono ou nitrogênio, que serão afetados pelas reações de fotossíntese e de nível trófico, respectivamente.

A quantificação da razão isotópica de um elemento em uma amostra é feita comparando o valor encontrado nela pelo valor de uma amostra de referência, ou seja, é dado pelo desvio relativo (δ) expresso em partes por mil (os valores são multiplicados por 1000 para evitar trabalhar com números muito pequenos).

Vamos ver o que isso significa na prática.

Imagine um valor de δ13C = - 27:

Devido à diferença no número de massa, os isótopos apresentam pequenas mudanças nas suas propriedades físico-químicas.

No caso dos isótopos radioativos, eles decaem espontaneamente em função da instabilidade nuclear e nesse processo emitem diferentes tipos de radiação (∝, ß e γ). O elemento que sofre o decaimento é chamado de isótopo-pai e o elemento formado de isótopo-filho ou isótopo radiogênico. O isótopo-filho tem número atômico diferente do isótopo-pai, ou seja, é um elemento diferente. Além disso, quando ele é estável o decaimento para nesse ponto, mas se ele for também um isótopo radiativo o decaimento continua até formar um isótopo estável.

Exemplos de decaimento radioativo do 238U (decaimento alfa), do 3H (decaimento beta) e do 26Al(decaimento beta) com os respectivos elementos formados a partir da reação.

Um conceito importante dos isótopos estáveis - e que permite que eles sejam usados em diversos estudos, principalmente na datação de amostras - é a meia-vida (representada como t1/2); ela é o tempo que demora para metade de uma determinada quantidade de um isótopo radiativo decair. A meia-vida pode ser da ordem de décimos de segundos até bilhões de anos, dependendo do composto.

Representação da meia vida

Exemplo da cadeia de decaimento do urânio- 238 até chegar no chumbo-206 (isótopo estável)

Bateu aquela curiosidade em como usamos os isótopos em estudos oceanográficos? Em breve traremos exemplos de algumas explicações.

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