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Caracterizacion de la Humedad en Suelo Franco
a Traves del Proceso de Termalizacion de
Neutrones
Andrea Abril Fajardo
Asesores:
PhD. Fernando Cristancho Mejıa 1
M.Sc. Juan Manuel Rodrıguez
Lınea de Profundizacion La Ensenanza de la Fısica y
la Relacion Fısica y Matematica
Universidad Pedagogica Nacional
Facultad de Ciencia y Tecnologıa
Departamento de Fısica
2010
1Universidad Nacional de Colombia
Indice general
Agradecimientos I
RAE III
Introduccion V
1. Fısica de Radiaciones y Suelos 1
1.1. El neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Fuente de Neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1. Fision Espontanea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2. Fuente de 252 Cf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Deteccion de Neutrones Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1. Termalizacion de Neutrones . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2. Seccion eficaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3. Proceso de deteccion con un detector de 3He+Ar . . . . . 6
1.4. Fısica de Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1. El suelo y su composicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3. Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.4. Movimiento de agua en el suelo . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. Montaje experimental 15
2.1. Acerca del montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. Diseno del montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1. Configuracion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2. Sistema de deteccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3. Muestras de suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4. Adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3
4 INDICE GENERAL
2.3. Desarrollo del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Resultados Experimentales 21
3.1. Aspectos preliminares al analisis de resultados . . . . . . . . . . . 21
3.2. Suelo saturado: arena y suelo franco arenoso . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1. Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2. Suelo franco arenoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3. Suelo no saturado: suelo franco arcilloso . . . . . . . . . . . . . . 31
Conclusiones 35
Anexo A 37
Anexo B 41
En primer lugar quiero agradecer a mi Mami y mis Hermanitas;
por su apoyo sin horarios ni condiciones, por su carino y por estar
a mi lado cada uno de los dıas que duro este camino. A Rafael
Maldonado por creer en mi aun cuando nadie lo hacia, por su amor
sin lımites y por los miles de suenos que creamos juntos. A cada
uno de los miembros del Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad
Nacional de Colombia por las ensenanzas, las mil preguntas
resueltas, los buenos momentos y el cafe. Al Profesor Fernando
Cristancho por abrirme las puertas de su grupo, por su gran
paciencia, por su tiempo y por la motivacion a continuar en el largo
camino de la investigacion. Al Profesor Juan Manuel Rodrıguez por
permitirme realizar esta investigacion. Al Profesor Diego Rodrıguez
por su ayuda y buenos consejos. Por ultimo a mis amigos Mauricio
Vargas por su sinceridad y Martha Campos por estar en los
momentos difıciles. A todos un millon de gracias.
i
RAE
Tipo de documento: Trabajo de Grado-Pregrado.
Acceso al documento: Universidad Pedagogica Nacional.
Titulo del documento: Caracterizacion de la humedad en suelo franco a traves
del proceso de termalizacion de neutrones.
Autor: ABRIL FAJARDO, Andrea Johana.
Publicacion: Bogota, 2010, 46p.
Unidad Patrocinante: Universidad Pedagogica Nacional, Grupo de Fısica Nu-
clear UN.
Palabras Claves: Termalizacion de neutrones, Suelo, Humedad, Metodos nu-
cleares, Fısica nuclear aplicada, Diseno experimental.
Descripcion: Trabajo de grado que muestra un metodo experimental para la
deteccion de humedad en suelo franco, desarrollado a partir del proceso de
termalizacion de neutrones.
Contenidos: Este trabajo consta de 3 capıtulos. El primer capıtulo Fısica de
radiaciones y de suelos introduce al lector en el marco teorico del expe-
rimento realizado, dando los elementos para la compresion del proceso de
iii
iv RAE
interaccion neutron-materia y los aspectos necesarios de la fısica de sue-
los. El segundo capıtulo Diseno y construccion del montaje experimental
muestra la construccion del experimento acorde a las necesidades del obje-
tivo planteado. El capitulo tambien muestra los elementos utilizados en la
realizacion del montaje y describe las etapas de desarrollo del experimen-
to. El tercer capıtulo Resultados Experimentales muestra el producto de la
investigacion realizada relacionando los resultados experimentales con las
propiedades fısicas del suelo.
Metodologıa: En la elaboracion de este trabajo se sigue una ruta metodologica
que inicia con la planeacion del experimento enfocandose en la optimizacion
del montaje experimental para el cumplimiento del objetivo planteado. El
siguiente paso es el desarrollo del experimento, este se realiza en dos etapas
correspondientes a dos estados de humedad del suelo. Por ultimo se realiza
el analisis de los datos obtenidos llegando a la caracterizacion de la hume-
dad en tres diferentes tipos de suelo. El experimento se realizo gracias a
la colaboracion del Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad Nacional de
Colombia.
Conclusiones: El metodo desarrollado es capaz de discriminar diferencias tan
pequenas como de un 20% de contenido de SiO2 de las muestras analizadas,
de otro lado al estudiar el comportamiento de la humedad en las muestras
de suelo analizadas se concluye que el contenido de SiO2 se relaciona con la
capacidad de retencion de agua de un suelo; siendo esta menor en uno con
alto contenido de SiO2.
Fecha de elaboracion del resumen: 23 de Mayo de 2010
Introduccion
El estudio de la radiacion nuclear ha permitido utilizar las aplicaciones de
la misma en diferentes campos; tales como la explotacion petrolera y minera, la
fısica-medica, la agricultura, la ingenierıa y la seguridad nacional. Dando rele-
vancia al estudio de los conceptos y procesos que estan presentes en el desarrollo
de los diferentes instrumentos utilizados en un campo particular de aplicacion.
Todas las aplicaciones han sido posibles por el estudio de la interaccion de la
radiacion con la materia, que ha realizado un largo recorrido desde la creacion de
instrumentos que permiten evidenciar la existencia de radiacion llegando a com-
prender las variables involucradas en la interaccion con la materia y los cambios
que esto provoca en la lectura de los sistemas de medicion, ademas las tecnicas
nucleares tiene por valor agregado, la no destruccion de las muestras a estudiar y
la relacion entre las propiedades de una partıcula o tipo de radiacion determinada
con su entorno.
Este trabajo se realiza con el fin de aportar a la divulgacion de la fısica nuclear
aplicada, contrarrestando la carencia en la implementacion de tecnicas nucleares
en nuestro paıs debido a que la ensenanza de la fısica nuclear aplicada ha sido
limitada al campo operacional, restringiendo el estudio investigativo de la radia-
cion en Colombia a algunas entidades entre las que se encuentra el INGEOMINAS
y el Grupo de Fısica Nuclear de la Universidad Nacional de Colombia, grupo que
permite la realizacion de este trabajo. El trabajo esta orientado a estudiantes de
Licenciatura en Fısica y Fısica o areas afines interesadas en desarrollar o perfeccio-
nar aplicaciones de la fısica nuclear. Se relacionaran los conceptos fundamentales
implicados en la interaccion neutron-materia con el montaje experimental desa-
rrollado, enfrentando al estudiante a situaciones reales que obligan la puesta en
practica del conocimiento teorico. De otro lado el trabajo implica una metodo-
logıa experimental, que desarrolla un proceso de varias etapas que entre sı guardan
coherencia y apuntan a un objetivo propuesto; en nuestro caso la caracterizacion
del suelo franco a traves del proceso de termalizacion de neutrones.
v
vi INTRODUCCION
La motivacion de este trabajo surge al revisar trabajos anteriores [1] [2] en
los que se han realizado investigaciones y tecnicas que buscan la deteccion de
minas plasticas antipersona y sustancias ilıcitas por medio de metodos nucleares.
En general los objetos buscados en estas investigaciones tienen en comun un alto
contenido organico, factor por el cual algunos de estos metodos se basan en el
proceso de termalizacion de neutrones que permite encontrar una relacion en-
tre el contenido organico o de hidrogeno del elemento a analizar y la intensidad
de radiacion detectada. En estas investigaciones se ha encontrado dificultad al
aplicarlas en medios que implican una situacion de deteccion real, como lo es
un objeto enterrado en el suelo; ya que este tiene alto contenido de elementos
organicos y eventualmente puede contener importantes porcentajes de humedad.
El experimento desarrollado surge a la necesidad de conocer cual es el comporta-
miento de la humedad en el suelo franco por medio de un sistema que comprende
una fuente de radiacion de neutrones y un arreglo de detectores de 3He.
El escrito se desarrolla en tres capıtulos, el primero Elementos de fısica de
radiaciones y de suelos pretende dar los elementos basicos para iniciar la cons-
truccion del experimento. Este capıtulo involucra la interaccion neutron-materia
dando relevancia al proceso de termalizacion de neutrones, su deteccion y los
elementos que hacen parte fundamental del montaje experimental como lo son la
fuente de neutrones y el detector. En el segundo capıtulo Diseno y construccion
del montaje experimental, se hace un recorrido por los aspectos tenidos en cuenta
en la planeacion y realizacion del experimento. El capitulo muestra con detalle
la configuracion, los elementos, el sistema de deteccion y de adquisicion de datos
utilizados en el experimento, con el fin de entender las condiciones del proceso
experimental y posteriormente relacionarlas con los resultados experimentales,
los cuales seran mostrados en el tercer capıtulo Resultados Experimentales. El
capıtulo final mostrara los resultados obtenidos de la investigacion realizada, y
concluira la investigacion relacionando las propiedades fısicas del suelo con los re-
sultados obtenidos, mostrando la relacion de la composicion del suelo y su hume-
dad con la cantidad de neutrones termicos detectados, mostrando que es posible
comprender el comportamiento de la humedad en el suelo franco, discriminando
la humedad de los componentes organicos propios del suelo.
Capıtulo 1
Elementos de Fısica de
Radiaciones y de Suelos
En este capıtulo se expondran aquellos elementos tanto teoricos como ex-
perimentales para analizar la interaccion del neutron con la materia, haciendo
evidente su naturaleza y caracterısticas como: su masa, carga electrica nula y
los rangos de energıa en que interactua con la materia. Al final del capıtulo se
tendran los elementos suficientes para abordar los experimentos realizados en este
trabajo.
1.1. El neutron
El neutron no siempre ha sido considerado una partıcula elemental, fue con
los experimentos realizados por Irene y Frederic Joliot-Curie que se empezaba a
vislumbrar su evidencia como partıcula elemental; pero fue Chadwick [3] quien
al repetir el experimento realizado por los Joliot-Curie llega a la evidencia de la
existencia de un neutron. Aunque si bien Chadwick fue quien llego en 1932 a la
interpretacion correcta. El estudio del neutron seguirıa un largo camino hacia el
entendimiento de la interaccion con la materia.
1.2. Fuente de Neutrones
Una fuente de neutrones por lo general es creada con isotopos artificiales
que emiten neutrones, ya que los isotopos naturales que pueden ser usados en
1
2 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
laboratorio son escasos. Las fuentes de neutrones creadas en laboratorio se basan
en fision espontanea u otra reaccion nuclear [4] .
1.2.1. Fision Espontanea
Entendemos la fision espontanea como el proceso en el que el nucleo se de-
sintegra espontaneamente en varios productos, dentro de los que se encuentran
neutrones de alta energıa. La gran mayorıa de elementos transuranicos tienen
la probabilidad de decaer por fision espontanea produciendo neutrones rapidos
ademas de algunos rayos gamma.
1.2.2. Fuente de 252 Cf
El californio 252 es un isotopo radioactivo artificial. La fuente de neutrones
usada en este trabajo es una fuente de 252Cf, esta fuente es una de las fuentes
mas comunes, decae por emision alfa y fision espontanea. Para poder usar este
isotopo como fuente de neutrones se encapsula en un material suficientemente
denso, blindando la radiacion alfa y gamma dejando pasar neutrones de alta
energıa.
Figura 1.1: Diagrama Capsula, Fuente 252Cf
La tabla 1.1 muestra las caracterısticas tecnicas de esta fuente.
1.3. DETECCION DE NEUTRONES TERMICOS 3
vida media 2.64 anos
emision de neutrones 2.3 ×109 n/s por mg
energıa promedio 2 MeV
actividad 5× 105 n/s
Tabla 1.1: Caracterısticas de la fuente de 252Cf [5]
1.3. Deteccion de Neutrones Termicos
1.3.1. Termalizacion de Neutrones
La termalizacion de neutrones ha sido un proceso de gran importancia dentro
de las aplicaciones de la fısica de neutrones, tambien se le conoce como modera-
cion; ya que literalmente lo que ocurre durante el proceso es una moderacion de
la energıa del neutron por medio de colisiones con nucleos. Cuando un neutron
rapido (ver tabla 1.2) interactua con la materia puede ser dispersado o retro-
dispersado, en ambos casos elastica o inelasticamente perdiendo energıa hasta
llegar al equilibrio termico con los atomos circundantes. Cuando un neutron ob-
tiene esta energıa (aproximadamente 0.025 eV) puede ser capturado por otro
nucleo o hacer parte de alguna reaccion nuclear; como la captura radiocativa o la
fision nuclear[1]. Para tratar el problema de la deteccion de neutrones termicos
supondremos que el neutron tiene una energıa inicial del orden de los MeV, por lo
tanto el problema puede ser resuelto utilizando las leyes clasicas de conservacion.
Rapidos 200 keV-10 MeV
Intermedios 0.4 eV-200 kEV
Termicos 0.025 eV ≈ kT
Frıos ≈ meV
Ultra-Frıos ≈ µeV
Tabla 1.2: Clasificacion de los neutrones por energıa
Consideramos entonces una sola colision elastica entre un neutron y un nucleo
inicialmente en reposo, tomando como marco de referencia el sistema laboratorio
dondemn es la masa del neutron la cual para simplificar los calculos la tomaremos
como mn = 1, v0 su velocidad inicial y M la masa del nucleo en reposo la cual
tomaremos como el numero de masa atomica A (ver 1.2).
4 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
v0
M
V
θlab
m φlab
Figura 1.2: Sistema Laboratorio
Si hacemos la transformacion del sistema centro de masa al sistema laborato-
rio, la velocidad del neutron es [4]
vcm =A
A+ 1v0, (1.1)
y el nucleo toma una velocidad
V =1
A+ 1v0. (1.2)
Despues de la colision el neutron toma una nueva direccion, pero esta velo-
cidad es en el sistema centro de masa (figura 1.3). Hacemos la correspondiente
transformacion para determinar la velocidad del neutron en sistema laboratorio,
Mm
φcm
θcm
V
vcmvlab
Figura 1.3: Sistema Centro de Masa
(vlab)2 = (vcm)
2 + V 2− 2vcmV cos(π − θcm) (1.3)
(vlab)2 =
(vo)2
(A+ 1)2A2 + 1 + 2A cos(θcm)
(A+ 1)2(1.4)
donde θcm es el angulo de dispersion en el sistema centro de masa, a partir de
la ecuacion (1.4) podemos encontrar una relacion que nos da una medida de la
1.3. DETECCION DE NEUTRONES TERMICOS 5
energıa final en terminos de la inicial, encontramos a partir de los valores maximos
del angulo los valores maximos y mınimos de la razon entre esta y la energıa inicial
[4],
E
E0
∣
∣
∣
max= 1,
E
E0
∣
∣
∣
min=
(A− 1)2
(A+ 1)2.
(1.5)
De la ecuacion 1.5 podemos deducir que para tener la maxima moderacion de
energıa la colision debe darse con un nucleo que tenga masa similar a la partıcula
incidente, ası la termalizacion de neutrones es mas eficiente cuando se usa como
material moderador uno que contenga nucleos livianos como por ejemplo el agua;
que contiene nucleos de hidrogeno o la parafina que esta conformada por cadenas
de carbono e hidrogeno.
1.3.2. Seccion eficaz
La seccion eficaz es un termino usual cuando nos referimos a sistemas que
involucran interacciones; en este caso nuestro sistema es un neutron interactuando
con la materia. La probabilidad de que esta interaccion se de depende tanto del
nucleo con el cual el neutron interactua como de la energıa de este, por ejemplo la
interaccion de un neutron termico es mucho mas probable que la absorcion de un
neutron con alta energıa. La probabilidad de que una reaccion particular ocurra
Area
Centrodispersor
Flujo
δx
Figura 1.4: Diagrama seccion eficaz
entre un neutron y un nucleo depende de la seccion eficaz (σ) del nucleo que es
6 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
el area efectiva de cada centro dispersor,
NAFσ =numero de reacciones
∆t, (1.6)
donde:
N numero de centros dispersores por unidad de area
A area del blanco (cubierta por el flujo)
F Flujo: numero de partıculas por unidad de area por unidad de tiempo
σ area efectiva de cada centro dispersor
La seccion eficaz se expresa en unidades de area, pero teniendo en cuenta que el
area efectiva de un nucleo es muy pequena se sugiere utilizar el barn.
1 barn = 10−24 cm2
A partir de la seccion eficaz, definimos la seccion eficaz diferencial ( dσdΩ) [6] que
es la probabilidad de que como resultado de una interaccion una partıcula sea
desviada hacia un elemento de superficie ds = r2dΩ centrada en (θ, φ), (figura
1.5).
Unidad de Area
Flujo
Blanco
dΩ
φ
θ
Figura 1.5: Esquema seccion eficaz diferencial: una fraccion de flujo es dispersada
en dΩ
1.3.3. Proceso de deteccion con un detector de 3He+Ar
El proceso de deteccion de neutrones termicos realizado a traves de un con-
tador proporcional de 3He+Ar, en general consiste en un material blanco en este
1.3. DETECCION DE NEUTRONES TERMICOS 7
Catodo
Anodo
Senal
-V0
3He+Ar
n3He p
3H
Figura 1.6: Configuracion basica detector de neutrones
caso 3He + Ar, el cual al interactuar con el neutron produce una una partıcula
cargada y un ion facilmente detectables [7].
32He +
10n →
31H+ 1
1p (1.7)
La energıa de la reaccion de la ecuacion (1.7) es de 0.746 MeV, esta energıa
corresponde a la energıa cinetica de los productos de la reaccion (ver figura 1.6)
los cuales salen en direcciones opuestas:
E3H = 0.191 MeV Ep = 0.573 MeV. (1.8)
El detector consiste en un gas (3He+Ar) contenido en un cilindro, este esta a
una diferencia de potencial la cual crea un campo electrico dentro del cilindro.
Al incidir radiacion neutra como lo son los neutrones, los productos de la reac-
cion 3He(n, p)3H induciran la creacion de pares electron-ion. El campo electrico
producido por la diferencia de potencial en el gas conducira electrones hacia el
anodo y iones hacia el catodo, ası el numero de pares creados son proporcionales
8 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
a la radiacion depositada en el detector creando una senal. En la reaccion solo
se relaciona el 3He, aunque el detector tambien contiene Ar el cual aumenta la
densidad electronica en el detector aumentando la probabilidad de que ocurra la
reaccion 3He(n, p)3H, ademas la adicion de Ar disminuye el costo de fabricacion
del detector.
En la figura 1.7 se encuentra graficada la energıa en funcion de la seccion
eficaz total para las reacciones mas comunes usadas en la deteccion de neutrones,
encontramos que la reaccion producida por el 3He tiene la mayor seccion eficaz
en el rango de bajas energıa, lo cual lo hace una buena opcion en la deteccion de
neutrones termicos [7].
1
10
100
1000
10000
kT 10 −
810 −
710 −
610 −
510 −
410 −
310 −
21
Seccion
Eficaz(barns)
Energıa (MeV)
3He6Li10B
Figura 1.7: Seccion eficaz total para 3He, 6Li y 10B [8]
1.4. Fısica de Suelos
A continuacion se expondran de forma general algunas propiedades y carac-
terısticas del suelo, que seran de gran importancia en la comprension del proceso
de deteccion de humedad en el suelo.
1.4. FISICA DE SUELOS 9
1.4.1. El suelo y su composicion
El estudio del suelo es realizado por dos principales ramas; la edafologıa en-
cargada de estudiar el suelo para aprovechamiento agrıcola y la pedologıa la cual
relaciona el suelo con su ambiente natural tal como su morfologıa, clasificacion y
composicion y tiene un caracter multidisciplinario, en el cual intervienen ciencias
como la fısica, la quımica y la geologıa. En el caso de este experimento estudia-
remos las propiedades fısicas del suelo por lo tanto definimos el suelo atendiendo
a sus propiedades fısicas. El suelo es un sistema granular conformado por tres
diferentes fases; la fase lıquida por lo general es agua la cual sirve como medio de
transporte de los minerales contenidos en la parte solida del suelo, la fase solida
es la parte aparente del suelo donde se encuentra contenido organico y/o mineral
y la fase gaseosa compuesta principalmente por aire [9]. El espacio entre cada
partıcula es llamado espacio poroso y es donde ocurren todos los fenomenos de
transporte e intercambio por lo tanto es nuestra zona de interes.
Fase Gaseosa
Espacio Poroso
Fase solida
Fase lıquida
Figura 1.8: Estructura fısica del suelo
1.4.2. Clasificacion
La clasificacion del suelo se puede realizar desde diferentes sistemas segun
el uso que se le quiera dar al suelo. Por lo general los sistemas de clasificacion
se basan en criterios de productividad agrıcola y en su nivel de evolucion. El
suelo tambien puede ser clasificado de acuerdo a su textura es decir de acuer-
do al tamano de sus partıculas. En general en el suelo podemos encontrar tres
componentes: arena, arcilla y limo; cada uno de ellos tiene un tamano de grano
determinado (ver tabla 1.3). La clasificacion por textura del suelo determina en
10 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
que porcentaje se encuentra en el suelo cada uno de estos componentes (distribu-
cion de textura). La distribucion del tamano de las partıculas es la que finalmente
Componente Diametro del Grano (mm)
Arena 0.05-2.0
Limo 0.05-0.002
Arcilla ≤ 0.002
Tabla 1.3: Clasificacion de los principales componentes del suelo segun su tamano
de grano
clasifica a un suelo. Para conocer esta distribucion es posible utilizar diferentes
metodos entre los cuales se encuentra el metodo de las pipetas, la prueba de Bou-
yucous [9], o una prueba de tacto muy utilizada en campo. Una vez se conoce la
distribucion de tamano de las partıculas es posible clasificar el suelo de acuerdo
al triangulo de texturas.[10] El triangulo de texturas indica que la suma del con-
Figura 1.9: Triangulo de distribucion de texturas [11]
tenido gravimetrico de los componentes del suelo determina la textura promedio,
de forma tal que para cada porcentaje de arena, limo y arcilla se dibuja una linea
recta paralela al eje correspondiente, al intersectarse tres rectas se determina la
1.4. FISICA DE SUELOS 11
textura de la muestra. El triangulo de distribucion de texturas es el paso final
despues de determinar el porcentaje de cada componente del suelo. Cada compo-
nente se ubica en el triangulo de acuerdo al porcentaje presente en la muestra,
de acuerdo a los siguientes pasos:
1. Ubique el porcentaje de arena y trace una linea paralela al eje que corres-
ponde a limo.
2. Ubique el porcentaje de arcilla y trace una linea paralela al eje correspon-
diente a la arena.
3. Ubique el porcentaje de limo y trace una linea recta paralela al eje corres-
pondiente a la arcilla.
4. Determine el punto en el cual se intersectan las rectas; este punto corres-
ponde a la textura del suelo analizado.
En el trabajo realizado se tienen suelos con texturas: Sand (Arena), Sandy loam
(franco arenosa) y Clay loam (franco arcillosa).
1.4.3. Humedad
La humedad en suelo o contenido de agua en el suelo se define como la cantidad
de agua presente en un volumen determinado de suelo. La humedad (θ) se puede
determinar de dos diferentes maneras, realizando la relacion del contenido de agua
a traves del volumen (volumetrica),
θv =volumen de agua
volumen aparente del suelo=
masa de aguadensidad del agua
volumen de la muestra, (1.9)
o de la masa (gravimetrica),
θgr =masa de agua
masa de suelo seco=
masa del suelo humedo - masa del suelo secado al horno
masa de suelo secado al horno(1.10)
En general la humedad se da en terminos de porcentajes. En este trabajo la
humedad se dara en terminos de la humedad gravimetrica [9].
1.4.4. Movimiento de agua en el suelo
El movimiento de agua en el suelo depende de la humedad que este presente
en el suelo. Teniendo en cuenta que el agua se desplaza entre el espacio poroso
12 CAPITULO 1. FISICA DE RADIACIONES Y SUELOS
del suelo se debe definir la humedad de saturacion θs que es la humedad para la
cual se encuentran todos los poros llenos de agua y por lo tanto no hay espacio
poroso vacio. En terminos de la humedad de saturacion se pueden encontrar tres
importantes zonas en el suelo, la zona no saturada, el nivel freatico y la zona
saturada. El movimiento de agua en el suelo es diferente dependiendo en la zona
Superficie
Zona no saturada
Nivel freatico
Zona saturada
Figura 1.10: Zona saturada y no saturada del suelo
en la que se encuentre ya que en la zona no saturada el flujo es principalmente
vertical pues se puede desplazar facilmente entre el espacio poroso, y en la zona
saturada el movimiento de agua es preponderantemente horizontal.
Humedad en suelo saturado
La humedad en suelo saturado se puede estudiar desde el punto de vista
microscopico o macroscopico. De forma microscopica el movimiento de agua se
relaciona a traves de la ecuacion de Poiseuille[9] y de forma macroscopica se
relaciona a traves de la ley de Darcy la cual es la descripcion mas adecuada
en la caracterizacion de suelos. La ley de Darcy indica que el flujo de agua es
proporcional a la constante de conductividad hidraulica para suelo saturado Ks
que depende del tipo de suelo, y a al gradiente hidraulico ∇H que depende del
ancho de la muestra [10].
J = Ks∇H. (1.11)
Algunas consecuencias importantes de la ley de Darcy se relacionan con el
balance hıdrico ya que se asume que para un flujo estable se debe conservar la
masa entre los puntos en los que se evalua el flujo (∇2H = 0), y para un flujo
inestable en el que se presenta retencion de agua el agua que fluye hacia y desde
un punto dado debe ser igual a la acumulacion o perdida de agua en el punto,
∇ · (Ks∇H) = Ss
δH
δt, (1.12)
donde Ss es la capacidad especifica de almacenamiento en el tiempo [9].
1.4. FISICA DE SUELOS 13
Humedad en suelo no saturado
El movimiento del agua en la zona no saturada (entre los poros hay aire y
fluido) es de forma vertical y se puede entender como una ecuacion de difusion
del liquido en el medio, esta ecuacion es llamada la ecuacion de Richard [9],
∂θ
∂t= D(θ)
∂2θ
∂z2+
∂θ∂z
∂
∂zD(θ) +
∂
∂zK(θ)− l, (1.13)
donde θ es el contenido relativo de agua en suelo; limitado por la saturacion del
terreno θs y θr el contenido del agua residual en el terreno.D(θ) es el coeficiente de
difusion, y K(θ) es el parametro de reflexion del flujo de agua en el terreno, el cual
depende de la permeabilidad intrınseca del suelo y de la humedad. La ecuacion
de Richard puede ser solucionada mediante metodos numericos, encontrando los
valores de conductividad y difusion hidraulica en funcion de la humedad [12].
Capıtulo 2
Diseno y construccion del
montaje experimental
En este capıtulo expondre la construccion y desarrollo del montaje experimen-
tal, basado en las necesidades propias del objetivo planteado; la caracterizacion
de la humedad en el suelo franco a traves del proceso de termalizacion de neu-
trones. Encontraremos que para el diseno del experimento se tuvieron en cuenta
diferentes factores como la busqueda de materiales adecuados, la textura del suelo
a analizar y el tiempo de ejecucion del experimento respecto a la conductividad
hidraulica del suelo.
2.1. Acerca del montaje
El montaje experimental se realiza con el fin de encontrar una relacion entre
la cantidad de agua (ver ecuacion 1.10) en una muestra de suelo franco, con la
cantidad de neutrones termicos detectados, en funcion de la altura y del tiempo.
Para este fin se utiliza un montaje experimental tipo columna en el cual se usa una
fuente de neutrones ligada a un arreglo de detectores, este montaje experimental
se basa en un montaje realizado en la Universidad de Ceara (Brasil) [14] con
el fin de examinar el flujo de agua en muestras de lodos de rellenos sanitarios,
relacionando el flujo de agua con el transporte de contaminantes.
15
16 CAPITULO 2. MONTAJE EXPERIMENTAL
2.2. Diseno del montaje
2.2.1. Configuracion
Teniendo en cuenta que se evaluara el flujo de agua en funcion de la altura
consideramos que en la construccion del montaje es importante que la muestra
de suelo sea depositada en un contenedor de dimensiones convenientes. Para este
fin se utiliza un tubo de PVC (policloruro de vinilo) con dimensiones Ø10 cm×2
m, en el cual se utilizara un volumen de 14900 cm3 los cuales corresponden a 190
cm de la columna de PVC. Esta configuracion permite tener como parametro fijo
el volumen de las muestras, las cuales no seran compactadas. La ubicacion de la
columna dentro del laboratorio se determina teniendo en cuenta que el camino
libre medio de un neutron en aire es de aproximadamente un metro, por lo tanto
el montaje experimental se aisla en un radio de un metro para evitar obtener
cuentas por retrodispersion de otros elementos del laboratorio.
b)
a)
1m
190cm
10 cm
Figura 2.1: a) Delimitacion alrededor del montaje experimental. b) Columna PVC
y estructura de aluminio
2.2.2. Sistema de deteccion
El sistema de deteccion se planea teniendo en cuenta que se mediran los neu-
trones termalizados directamente por el suelo, de modo que la columna de suelo
de ubica en medio del la fuente de neutrones y el arreglo de detectores los cua-
les deben estar diametralmente opuestos y rıgidamente ligados (ver figura 2.2).
Este sistema fuente-detectores (252Cf-3He), es movil a lo largo de la columna,
2.2. DISENO DEL MONTAJE 17
Detectores
Fuente
Sistema de deteccion
Piso
Estructura
Columna PVC
Columna
Figura 2.2: Esquema sistema de deteccion
permitiendo escanear la columna en diferentes posiciones de altura; cada 20 cm
partiendo desde la posicion 190 cm hasta la posicion 10 cm. Para movilizar el
sistema se cuenta con una estructura en aluminio en la cual se desplaza el arreglo
(ver figura 2.1). La tabla 2.1 muestra las dimensiones de los elementos utilizados
en el montaje.
Espesor tubo de PVC 1 mm
Espesor aluminio 1.3 mm
Distancia entre la fuente y el arreglo de detectores 12 cm
Distancia entre la fuente y el tubo de PVC 2 cm
Distancia entre el arreglo de detectores y el tubo de PVC 2 cm
Dimensiones tubo de PVC Ø10 cm×2 m
Dimensiones cada uno de los detectores Ø2.4 cm×19.9 cm
Dimensiones de la fuente Ø2.1 cm×6.1 cm
Tabla 2.1: Dimensiones de los elementos del montaje experimental.
2.2.3. Muestras de suelo
El experimento se realizo con tres diferentes tipos de suelo: arena, suelo franco
arenoso y suelo franco arcilloso, los suelos francos corresponden respectivamente
18 CAPITULO 2. MONTAJE EXPERIMENTAL
a un suelo no preparado tomado del campus de la Universidad Nacional de Co-
lombia, del cual no se tiene previo conocimiento de sus componentes y un suelo
apto para jardinerıa sin fertilizantes o componentes organicos adicionales al cual
se le ha realizado un analisis por fluorescencia de rayos X, el cual nos permite
conocer sus componentes. Las muestras de suelo se preparan homogeneamente a
una humedad determinada, que corresponde al punto de saturacion para el suelo
franco arenoso (θs = 29%) y la arena (θs = 16%), y a una humedad del 15%
para el suelo franco arcilloso. Las humedades se determinan con el fin de estudiar
el comportamiento de la humedad en los estados de saturacion y no saturacion
de suelo. Un factor importante en la realizacion del experimento es la densidad
del suelo ya que la seccion eficaz de termalizacion tambien depende del nume-
ro de centros dispersores [12]. Las densidades humeda y seca de las muestras se
encuentra relacionada en la Tabla 2.2.
suelo ρ seca (g/cm3) ρ humeda (g/cm3)
arena 1.2 1.4
franco arenoso 0.89 1.0
franco arcilloso 0.73 0.76
Tabla 2.2: Densidad muestras de suelo
2.2.4. Adquisicion de datos
La adquisicion de datos se realiza mediante un modulo amplificador (MPSD-
8) (ver figura 2.3), al cual se conectan los tubos de 3He y un dispositivo de
procesamiento de datos con salida Ethernet (MCPD-2). El modulo MCPD-2 se
conecta al computador por medio de la salida Ethernet, y los datos son adquiridos
mediante el softwaremesydaq, el cual organiza los pulsos en forma de histograma,y
permite controlar parametros de ganancia y threshold [15].
2.3. Desarrollo del experimento
Previo a la adquisicion de datos se deben preparar las muestras de suelo a ana-
lizar y disponerlas en el volumen de la columna. Las preparacion de las muestras
inicia con una prueba de campo para determinar su textura, lo cual posterior-
mente sera de gran utilidad en la relacion de las caracterısticas del movimiento de
2.3. DESARROLLO DEL EXPERIMENTO 19
Procesamiento de datosModulo
Entrada Detectores
Modulo Amplificador
Entrada Alto Voltaje
Coneccion amplificador
Fuente de Voltaje
Salida Ethernet al computador
Figura 2.3: Modulos de deteccion (Mesyteq)
agua en el suelo con los resultados obtenidos. A partir de la textura del suelo, los
metodos cualitativos determinan la humedad de saturacion de una muestra dada;
conociendo la humedad de saturacion se puede elegir la humedad a la cual se
prepararan las muestras teniendo en cuenta que el experimento se quiere realizar
a humedad de saturacion y en algun punto dado de no saturacion. Para preparar
el suelo que se deposita en la columna, se determina en una muestra del suelo de
500 g la densidad seca y en el punto de humedad elegido. La densidad se toma con
la muestra suelta ya que no se compacta. Esta medida de densidad se utiliza para
determinar la masa del suelo a depositar en la columna. Se debe garantizar que
el volumen sea el mismo, ya que de estar la muestra compactada aumentara el
numero de centros dispersores.
Al determinar la masa de suelo que sera agregada a la columna se separa la
muestra en 5 partes iguales para agregar el agua que nos dara el punto de humedad
deseado. Cabe aclarar que la muestra previamente se ha secado al aire. Una vez
el suelo se encuentra a una humedad homogenea se deposita en la columna e
inmediatamente se inicia la primera medida. Las medidas inician desde la parte
superior de la columna siendo esta la posicion 190 cm y descienden hasta la
posicion 10 cm, realizando medidas cada 20 cm. La distancia a la cual se toman
las medidas se elige para favorecer la resolucion espacial de los detectores teniendo
en cuenta que la fuente no es colimada y emite isotopicamente; por lo tanto existe
la probabilidad que no solo se detecten neutrones termicos por transmision sino
por retrodispersion del suelo circundante a la posicion en la cual se toma la
20 CAPITULO 2. MONTAJE EXPERIMENTAL
medida. El experimento se realizo en intervalos de tiempo diferentes para cada
tipo de suelo. La primera fase del experimento se realizo a humedad de saturacion
con un tiempo de ejecucion de 20 horas para el suelo franco arenoso, realizando
medidas cada 4 horas aproximadamente. La medicion realizada a la arena tiene
un tiempo de ejecucion de 2 dıas en la cual se realizaron medidas cada 2 horas
aproximadamente; en cada posicion se realizan 2 mediciones con una tiempo
de adquisicion de 1 minuto. La segunda fase el experimento tiene un tiempo de
ejecucion de un mes, tomando 2 medidas por semana aproximadamente, las cuales
cada una tienen un tiempo de adquisicion de 5 minutos por posicion.
Capıtulo 3
Resultados Experimentales
Este capıtulo muestra los resultados obtenidos de los analisis realizados a
los diferentes tipos de suelo. El capıtulo se divide en tres partes, la primera
muestra los aspectos preliminares y consideraciones para el adecuado tratamiento
de los datos obtenidos. La segunda corresponde al analisis realizado a los suelos
en estado de saturacion, mostrando que la realizacion del experimento en este
estado de humedad nos permite conocer diferentes aspectos que seran de gran
importancia en la realizacion del experimento a humedad de no saturacion, ya
que se corrigen aspectos en configuracion del montaje, el tiempo de medida y de
ejecucion del experimento. La ultima parte muestra los resultados obtenidos para
suelo franco no saturado, los cuales son relacionados con las predicciones teoricas
y la composicion del suelo.
3.1. Aspectos preliminares al analisis de resul-
tados
Los datos experimentales siempre tienen asociada una incertidumbre, por lo
tanto es importante hacer explıcita la incertidumbre asociada al resultado de
la medicion. Es muy usual que se presenten alteraciones en la configuracion de
los aparatos de medida. Estas alteraciones, de no ser determinadas y corregidas,
conducen a un analisis erroneo de los datos, adjudicando como resultado valores
que no pertenecen al sistema analizado sino a variables que se salen del control
del investigador. En el experimento realizado se encontro que debido a variaciones
en el voltaje de operacion de los detectores, se presentaba un aumento en el ruido
electronico y un corrimiento del pico termico. Para realizar un analisis confiable
21
22 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
de los datos obtenidos se decidio realinear los picos termicos, con el fin de evaluar
la cantidad de cuentas aportadas a la distribucion por las fluctuaciones de voltaje
y tomar unicamente las cuentas debidas a termalizacion de neutrones.
0 10 20 30 40 50 60 700
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Canal0 10 20 30 40 50 60 70
Cue
ntas
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Figura 3.1: Espectro de neutrones, picos termicos desalineados
En la figura 3.1, se encuentra graficado el espectro de la posicion 10 cm para
cada una de las tomas de datos realizadas. Se toma el espectro de esta posicion
teniendo en cuenta que se ha verificado que el comportamiento de todos los espec-
tros de cualquier toma de datos se comportan de la misma manera, por lo tanto
el espectro es representativa de esa medicion. Podemos observar que los picos
termicos no comparten el mismo valor medio, esto se debe a fluctuaciones en el
voltaje, de otro lado algunos presentan hacia el canal 10 un aumento de cuentas;
estas cuentas son asociadas a variaciones en la ganancia del detector. Cuando se
obtienen espectros de esta forma es difıcil decidir que region del espectro inicia
el pico termico, de la misma manera es difıcil determinar la region perteneciente
a fluctuaciones; por lo tanto se decide alinear los picos al valor medio promedio
σ = 44 entre todos los picos (ver 3.2).
El la figura 3.2, podemos ver que al alinear los picos termicos se puede decidir
facilmente que region del espectro se tomara como cuentas asociadas a termali-
zacion de neutrones, eliminando las fluctuaciones producidas por las variaciones
de voltaje y ganancia.
3.2. SUELO SATURADO: ARENA Y SUELO FRANCO ARENOSO 23
Canal0 10 20 30 40 50 60 70
Cue
ntas
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
rmicoePico T
FluctuacionesCanales tomados (30-50)
Figura 3.2: Estructura del espectro de neutrones, picos termicos alineados
3.2. Suelo saturado: arena y suelo franco areno-
so
La primera propuesta experimental para la determinacion de humedad en
suelo fue realizada con arena [12], ya que su composicion quımica es conocida
(aproximadamente 95% SiO2). Esto nos indica que no se va a producir termali-
zacion por los elementos organicos del suelo excepto por el contenido de oxıgeno
y es una buena aproximacion para conocer como es el movimiento de agua en el
suelo. El objetivo es conocer como es el flujo de agua en suelo franco, el cual es
un sistema mucho mas complejo si tenemos en cuenta que ademas de minerales
tenemos elementos organicos y su distribucion de textura aumenta la capacidad
de retencion de agua.
El primer punto a evaluar al realizar el analisis de datos, es observar como es
la interaccion de los neutrones con el montaje experimental: la columna de PVC
y la estructura de aluminio. Al conocer esta interaccion podemos determinar el
aumento de cuentas debido solamente al suelo depositado en la columna.
En la figura 3.3, podemos observar que la arena seca termaliza en mayor
medida que el suelo franco y que la columna, sin embargo cabe aclarar que este
aumento se puede dar debido a que la toma de datos para la arena seca fue
24 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Arena seca
Franco arenoso seco
Columna vacia
Figura 3.3: Comparacion s.f.ae y arena secos con la columna vacıa
realizada [12] con un modulo diferente de deteccion, lo cual hace que la medida
no sea comparativa. Tambien a traves del grafico podemos notar que entre el
suelo franco y la columna no existen grandes diferencias. Adicionalmente podemos
observar que aproximadamente hasta los 120 cm de altura se presenta un aumento
de cuentas que no se espera que se presente ya que se asume que el sistema
estudiado es un sistema homogeneo; la razon de este aumento de cuentas se debe a
que tambien se estan detectando neutrones retrodispersados por el piso. Esto es de
gran importancia para evitar asociar este aumento de cuentas al comportamiento
de la humedad en funcion de la posicion.
3.2.1. Arena
Para la determinacion de la humedad en arena en el punto de saturacion se
ha elegido una humedad del 16% (ver figura 3.4). Al escanear la columna en
las diferentes posiciones se nota que el efecto de retrodispersion del piso da un
aumento de cuentas en las posiciones cercanas al piso. Este aumento de cuentas
no permite observar si existen variaciones en la humedad en estas posiciones. Para
poder observar las variaciones se ha sustraıdo el efecto de las cuentas debidas a
3.2. SUELO SATURADO: ARENA Y SUELO FRANCO ARENOSO 25
la columna vacıa (fondo) a las obtenidas por la columna con arena humeda en
cada posicion, por lo tanto en la figura 3.5 se puede observar el comportamiento
unicamente de la arena humeda en cada punto de medicion para 3 dıas. El numero
de deteccion disminuye para alturas mayores a 80 cm, esto se debe a que el
sistema es capaz de detectar neutrones retrodipersados aproximadamente hasta
esta altura.
Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000=16% θArena con
Dia 1
Dia 2
Dia 3
Figura 3.4: Comportamiento de la arena con θ = 16% sin sustraer el fondo
Al observar el comportamiento de la humedad en funcion de la altura en la
figura 3.5, es conveniente dividir la columna en dos regiones; la parte inferior
desde 10 cm hasta 110 cm y la parte superior de 110 cm hasta 190 cm. Se pueden
notar los siguientes comportamientos:
Humedad La humedad es mas alta en la region inferior que en la region supe-
rior de la columna debido a que el potencial gravitacional afecta la humedad
presentandose gran acumulacion de fluido. Teniendo en cuenta que la co-
lumna no se encuentra drenando por lo tanto el fluido tiende a acumularse,
mientras que en la parte alta de la columna el fluido se desplaza hacia la
parte inferior, ademas de presentarse evaporacion y secado. El comporta-
miento temporal de la humedad muestra las posiciones entre 110 y 190 cm
θ disminuye con el tiempo, mientras para las posiciones entre 30 cm y 110
cm θ(t) no es una funcion monotona. Observando el comportamiento es-
26 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
50
100
150
200
250
300
350
400
=16% sin fondo θArena con
Dia 1
Dia 2
Dia 3
Figura 3.5: Cuentas en funcion de la altura sin fondo: arena θi = 16%
pacial de la humedad notamos que para las posiciones entre 110 cm y 190
cm la humedad en funcion de la altura es decreciente, mientras que para
las posiciones entre 30 cm y 110 cm la humedad en funcion de la altura es
creciente.
Intercambio Se puede observar que se presentan aumentos repentinos de la
humedad a lo largo de toda la columna, esto se debe a que se esta presen-
tando intercambio de humedad. El agua tiende a fluir hacia la parte inferior
hasta acumularse en la posicion 150 cm aproximadamente, en los puntos si-
guientes se puede observar que se da un decrecimiento de la humedad pero
nuevamente se presenta una acumulacion de fluido aproximadamente en la
posicion 70 cm, la humedad decrece en las posiciones siguientes hacia el
inferior de la columna. En general los que observamos es que estos pun-
tos donde se presenta acumulacion, son puntos intercambio de flujo en los
cuales aumenta la humedad debido al potencial gravitacional, en los puntos
siguientes la humedad disminuye nuevamente debido a que se ha excedido la
capacidad de retencion de agua en este punto obligando al fluido acumulado
a desplazarse hacia abajo.
Homogeneidad En la realizacion del experimento se asume que la intensidad
3.2. SUELO SATURADO: ARENA Y SUELO FRANCO ARENOSO 27
de transmision es proporcional a la humedad, por lo tanto las medidas del
primer dıa deberıan reflejar una linea constante, sin embargo no es ası lo
que nos muestra que el suelo que esta dentro de la columna no tiene densi-
dad incial homogenea. Aunque las muestras a analizar son cuidadosamente
preparadas, no se puede garantizar la homogeneidad del suelo al deposi-
tarlo en la columna ya que no se puede limitar la dinamica del suelo y los
parametros de compactacion afectan el numero de centros dispersores en la
muestra.
Al evaluar la humedad en funcion del tiempo encontramos que el comporta-
miento de la humedad y los puntos de intercambio anteriormente descritos tam-
bien se pueden evidenciar como una funcion del tiempo. En la figura 3.6 tenemos
diferentes regiones de la columna, en las cuales podemos observar la variacion de
cuentas en el tiempo. En general podemos observar que en funcion del tiempo
Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30
Cue
ntas
50
100
150
200
250
300190 cm
170 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30
Cue
ntas
200
250
300
350
400 110 cm
150 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30
Cue
ntas
250
300
350
400
70 cm
50 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20 25 30
Cue
ntas
100
200
300
400190 cm
50 cm
Figura 3.6: Comportamiento de la humedad en funcion del tiempo de arena con
θ = 16%, para diferentes puntos de la columna
la humedad disminuye en los diferentes puntos de la columna. En la curva co-
rrespondiente a la posicion 70 cm observamos que en el tiempo las fluctuaciones
son muy grandes pero en la ultima medida realizada se nota que no existe una
variacion de humedad respecto a la primera medicion, mientras que en la curva
28 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
correspondiente a la posicion 110 cm aunque se ha denominado un punto de in-
tercambio la humedad final respecto a la inicial es menor, lo que indica que los
puntos de intercambio tienden a mantener una humedad constante determinada
por la capacidad de retencion de agua de cada suelo. Tambien podemos ver la
comparacion entre los puntos extremos de la columna (50 cm y 190 cm), notamos
que se conserva la relacion de balance hıdrico entre la humedad perdida en la
posicion 190 cm y el aumento de humedad en la posicion 50 cm; lo que indica que
en efecto a lo largo de la columna se esta presentando un intercambio de fluido.
3.2.2. Suelo franco arenoso
El suelo franco arenoso (s.f.ae) es una buena aproximacion al suelo franco pues
aunque su contenido de materia organica no es alto, se diferencia respecto a la
arena en la capacidad de retencion de agua, consecuencia de lo cual es responsa-
ble el contenido de arcilla. De otro lado resulta ser un buen ejercicio analizar la
humedad de un suelo del cual no se tiene mayor informacion, ya que este suelo es
tomado del campus de la Universidad Nacional de Colombia1 y la unica informa-
cion de sus componentes nos la da la prueba de campo realizada para determinar
su textura. Para el s.f.ae se ha tomado una medida previa con el suelo seco (ver
figura 3.3), esta medida le llamaremos fondo. Ya que como lo hacıamos en el caso
de la arena al eliminar las cuentas asociadas a la columna, en este caso se eliminan
las cuentas asociadas a la columna con s.f.ae seco de las medidas realizas con el
suelo humedo, de modo que el analisis deberıa mostrar unicamente los cambios en
la humedad, ademas de eliminar el efecto de retrodispersion del piso. En la figura
3.7 podemos ver nuevamente el aumento de cuentas en las posiciones cercanas al
piso. Una vez se ha eliminado el fondo se observa que la humedad aumenta hacia
las posiciones cercanas al suelo. Sin embargo aumenta de forma mas uniforme
que el caso de la arena en cual notabamos puntos de intercambio de humedad.
En el s.f.ae se pueden notar los siguientes comportamientos:
Humedad La humedad en funcion de la altura disminuye, lo que indica que se
observa nuevamente el aumento de humedad hacia las posiciones cercanas
al piso debido al potencial gravitacional, en contraste con las mediciones
realizadas a la arena, no se encuentran puntos de intercambio significativos
lo cual es consecuencia de la capacidad de retencion de agua del s.f.ae. El
s.f.ae debido a su contenido de arcilla y la presencia de materia organica
1Sede Bogota
3.2. SUELO SATURADO: ARENA Y SUELO FRANCO ARENOSO 29
Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
=29%θS.f.ae con
0 h
16 h
Figura 3.7: Variacion de la humedad en funcion de la altura para s.f.ae θ = 29%
Altura (cm)60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500=29%θs.f.ae sin fondo,
0 h
16 h
Figura 3.8: La variacion de la humedad en s.f.ae θ = 29% es mas notoria al
sustraer el efecto del suelo
30 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
presenta una distribucion de partıculas que le permiten retener mas agua
que la arena, el espacio poroso es mucho mas grande que en la arena siendo
esta la razon por la cual el intercambio de fluido no es muy notorio. Sin em-
bargo se puede determinar como punto de intercambio la posicion alrededor
de 90 cm, en la cual se da un aumento de cuentas y nuevamente pasa a un
estado de humedad homogenea en las posiciones siguientes en direccion al
piso.
Flujo de agua Al observar la figura 3.9 se puede decir que en el s.f.ae no se
presenta flujo de agua ya que en general lo que se observa en las diferen-
tes posiciones es una relacion constante de cuentas. Aunque se presentan
fluctuaciones, el numero de cuentas en el estado inicial es aproximadamente
igual en el estado final para todas las posiciones; por ejemplo en los extre-
mos de la columna es evidente que la humedad es constante en el tiempo.
En puntos 70 y 90 cm sı se presentan variaciones, estos puntos son los que
denominamos de intercambio. En estos puntos se ha presentado una acumu-
lacion de fluido la cual en el rango de tiempo de realizacion del experimento
no se ha desplazado a las posiciones inferiores de la columna.
Tiempo (h)0 5 10 15 20
Cue
ntas
800
900
1000
1100
1200
1300190 cm170 cm150 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20
Cue
ntas
1100
1200
1300
1400
1500
1600
130 cm110 cm90 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20
Cue
ntas
1100
1150
1200
1250
1300
1350
70 cm
50 cm
Tiempo (h)0 5 10 15 20
Cue
ntas
800
900
1000
1100
1200
1300
190 cm
70 cm
Figura 3.9: La humedad en el s.f.ae es aproximadamente constante para todas la
posiciones de la columna
3.3. SUELO NO SATURADO: SUELO FRANCO ARCILLOSO 31
3.3. Suelo no saturado: suelo franco arcilloso
Despues de realizar la caracterizacion de la humedad en estado de satura-
cion, se llega a la conclusion que para el cumplimiento del objetivo propuesto se
debe tener en cuenta los siguientes parametros para la correcta realizacion del
experimento:
1. Tiempo de ejecucion del experimento: Se observo que por la capacidad de
retencion de agua del suelo franco se debe realizar el experimento durante
un lapso de tiempo del orden de semanas.
2. Tiempo de adquisicion de datos: Con el fin de disminuir la amplitud de
las fluctuaciones, es necesario aumentar el tiempo de adquisicion de datos
de 1 minuto a 5 minutos. En los experimentos anteriores se determino que
el tiempo de adquisicion de datos debıa ser el mınimo posible, ya que se
creıa que se podıan presentar grandes variaciones de flujo en el tiempo
de escaneo de la columna. Despues de realizar la primera experiencia se
ha notado que en el caso del s.f.ae las variaciones se presentan despues de
lapso de tiempo largo, ya que en 20 horas de medicion en general la humedad
permanecio constante.
3. Drenaje: En los experimentos anteriores a la columna no se le permite dre-
nar, es decir la parte final de la columna estaba sostenida por el piso y tan
solo una pequena cantidad de agua lograba filtrarse entre la columna y el
piso. En el presente experimento la columna cuenta en el borde inferior con
una malla y esta levantada aproximadamente 4 cm del piso, para permitir
el drenaje de agua.
Una vez corregidos los anteriores parametros, el primer paso a seguir al igual
que en los otros experimentos es determinar el fondo proporcionado por la colum-
na y por el s.f.ai. seco. En la figura 3.10 podemos observar que en contraste con lo
observado en la figura 3.3, el s.f.ai seco se puede distinguir de la columna; lo que
indica que en efecto el s.f.ai tiene un mayor contenido de materia organica y de
minerales compuestos por elementos livianos2 que el s.f.ae. Como fondo se toman
las cuentas proporcionadas por el s.f.ai seco. En la figura 3.11 se ha eliminado el
fondo al s.f.ai humedo y se pueden observar las siguientes generalidades:
2En general las arcillas estan compuestas por grupos de minerales llamados filo-silicatos
32 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Altura (cm)20 40 60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
10000
15000
20000
25000
30000
35000
aiColumna vac
S.f.ai seco
Figura 3.10: Comparacion entre la columna vacıa y el s.f.ai seco: el s.f.ai tiene un
aumento de cuentas por encima de la columna debido a la cantidad de materia
organica
1. Se puede notar el efecto de los bordes en las tres mediciones. Las cuentas
en las posiciones extremas (10 cm y 190 cm) son mucho menores que en las
demas posiciones; las cuentas en la posicion 190 cm decrecen por debajo del
0; esto se debe a que las cuentas en cada posicion no solo se deben al suelo y
la humedad en el punto dado sino tambien a las cuentas por retrodispersion
del resto de la columna por lo tanto en estas posiciones las cuentas deben
ser menores.
2. El aumento de la humedad en la region inferior de la columna ya no es tan
notorio como en los experimentos anteriores, esto se debe a que la columna
esta drenando por lo tanto la humedad que llega al final de columna puede
salir, de otro lado la humedad inicial que se la da al suelo es aproximada-
mente la mitad de la humedad en el punto de saturacion, lo que indica que
el agua tiene libre gran parte del espacio poroso para fluir.
3. La pendiente promedio de las curvas indica que la capacidad de retencion
de agua es alta respecto a los demas suelos analizados.
3.3. SUELO NO SATURADO: SUELO FRANCO ARCILLOSO 33
Altura (cm)20 40 60 80 100 120 140 160 180
Cue
ntas
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
=15%θs.f.ai con
Semana 1
Semana 2
Semana 4
Figura 3.11: S.f.ai con θ15% sin fondo: La humedad en funcion de la altura decrece
suavemente
La figura 3.12 muestra la humedad en funcion del tiempo, se encuentra que el
balance hıdrico se conserva. Al igual que en los experimentos anteriores la columna
se encuentra inicialmente a una humedad homogenea, en este caso la columna se
encuentra inicialmente a θ = 15%, lo cual se puede observar claramente ya que
en la primera medida tomada todas las curvas excepto la curva de la posicion
30 cm se encuentran alrededor de 2900 cuentas. En la ultima medida realizada
tambien se puede observar que las medidas llegan al mismo punto de humedad;
alrededor de 2650 cuentas. De otro lado tambien se puede ver que la concavidad
de las curvas muestran el estado del movimiento del agua en cada posicion, en las
posiciones altas de la columna las curvas son positivas lo que indica que el agua se
esta moviendo hacia las posiciones bajas de la columna, mientras que las curvas
de las posiciones inferiores de la columna son negativas e indican la acumulacion
del fluido drenado de las posiciones superiores.
34 CAPITULO 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Tiempo (Semanas)1 2 3 4
Cue
ntas
2400
2600
2800
3000
3200
=15%θS.f.ai con
30 cm 50 cm
90 cm 150 cm
170 cm
Figura 3.12: El s.f.ai con θ = 15% temporalmente muestra la conservacion del
balance hıdrico
Conclusiones
1. El experimento realizado permite distinguir la textura de las muestras de
suelo analizadas. En el triangulo de texturas estas corresponden a tres pun-
tos, los cuales se diferencian en un contenido de arena y de arcilla de la
siguiente manera aproximadamente,
SiO2 Arcilla
arena 100% 0%
suelo franco arenoso 70% 30%
suelo franco arcilloso 50% 30%
lo que indica que el metodo permite diferenciar contenidos de SiO2 tan
pequenos como del 20%, de otro lado es posible caracterizar con buena
resolucion una cuarta parte del triangulo de clasificacion de texturas.
2. El diseno del montaje experimental permite de forma sencilla entender las
relaciones entre el proceso de termalizacion de neutrones y la humedad en
el suelo, mostrando de forma didactica la interaccion del neutron con la
materia.
3. El metodo es capaz de observar una diferencia de velocidad en el movimiento
vertical del fluido, en suelo saturado y no saturado.
4. El metodo constata la conservacion de la cantidad de fluido.
5. Se observa que en la parte superior de la columna la dinamica del fluido es
predecible, sin embargo en la parte inferior de la columna la dinamica del
fluido cambia constantemente tanto en condiciones de acumulacion como
de drenaje.
6. El movimiento de agua en la arena indica que la estructura de esta no
favorece la acumulacion de fluido. El agua se desplaza a lo largo de la
35
36 CONCLUSIONES
columna aproximadamente en un lapso de 15 horas, mientras que en el
suelo franco arenoso en el mismo lapso de tiempo la humedad permanece
constante, y en suelo franco arenoso las variaciones se presentan en semanas.
7. Podemos relacionar el contenido de SiO2 con la capacidad de retencion de
agua, siendo mayor en los suelos que tienen menor contenido de esta.
Anexo A: Relacion entre la
tecnica desarrollada y la
ensenanza de la fısica
Las aplicaciones de la fısica nuclear mas conocidas en el ambito divulgativo,
son las relacionadas con las fision nuclear destacandose la produccion de energıa
nuclear y la creacion de la bomba atomica. Sin embargo en la actualidad, las
aplicaciones que se han desarrollado a traves del proceso de interaccion radia-
cion-materia, son de gran utilidad en diferentes areas de la industria, la medicina
y la arqueologıa. En la ultima decada se ha intensificado el estudio de los metodos
nucleares aplicados a asuntos de seguridad nacional; como lo son la deteccion de
minas plasticas antipersona y la deteccion de drogas. Las tecnicas desarrolladas
involucran tanto radiacion gamma como radiacion neutronica, cada tipo de radia-
cion juega un rol importante pero en general los metodos se desarrollan en torno
los procesos de interaccion de la radiacion con el objeto a detectar (materia), lo
que hace necesario estudiar ademas los procesos de interaccion que se dan con el
medio en el cual se encuentra el objeto.
El presente experimento se realiza teniendo en cuenta las tecnicas de retrodis-
peccion de neutrones termicos (TNB)3 [1] [2] aplicadas en la deteccion de objetos
con alto contenido organico, como lo son las minas plasticas que se encuentran
enterradas. El experimento realizado estudia el comportamiento del medio en el
cual se encuentra el objeto (suelo) en diferentes condiciones de humedad, la in-
vestigacion realizada sirve como apoyo al desarrollo de las tecnicas anteriormente
mencionadas.
De otro lado la propuesta experimental involucra diferentes procesos fısicos,
que a traves de la experimentacion y aplicacion de la tecnica desarrollada, ayudan
3Por sus siglas en ingles; Thermal Neutron Backscattering
37
38 ANEXO A
en la comprension de diferentes conceptos de la fısica de radiaciones y de suelos.
El experimento puede apoyar procesos de ensenanza de los conceptos relacionados
(ver anexo [B]) ya que se acude a diferentes elementos en la realizacion del expe-
rimento y el analisis de resultados. Los conceptos abordados en el experimento
tienen diferentes campos de aplicacion y los conceptos utilizados son relacionados
en diversasas areas de la fısica, lo que constituye al presente experimento en una
actividad investigativa que ademas satisfacer un proposito cientıfico, es util como
vıa de aprendizaje. En adicion al experimento demostrativo mas comunmente
usado en procesos de ensenanza, los experimentos que se desarrollan en torno
a una investigacion permiten al estudiante enfrentarse a una problematica real
en la que se desconocen los resultados y se debe acudir a diferentes elementos
para construir una respuesta cientıfica que explique los hechos experimentales
observados.
Acorde a la descripcion anterior de los aspectos fundamentales que conforman
la realizacion de este trabajo se desatacan los siguientes puntos de interes dentro
de la formacion de la poblacion objetivo; docentes de fısica, docentes de fısica en
formacion, fısicos y operarios nucleares.
1. Uno de los objetivos de los docentes de ciencias es la de promover el conoci-
miento, divulgacion y desarrollo de actividades cientıficas en sus estudiantes.
Por lo tanto el experimento desarrollado contribuye a la divulgacion de las
aplicaciones de la fısica nuclear, mostrando ademas una aplicacion social de
fısica; que en terminos generales, se ha caracterizado a lo largo de la historia
por aportar al desarrollo tecnologico, pero es poco conocida por sus aportes
sociales.
2. El trabajo desarrolla una de las aplicaciones del proceso de termalizacion de
neutrones, sin embargo este proceso es utilizado en diferentes campos. Las
aplicaciones en los demas campos, en general se fundamentan en el mismo
principio de interaccion radiacion-materia.
3. En la formacion de un docente de fısica la realizacion de investigacion ex-
perimental aporta en la ampliacion de su perfil profesional. Un docente de
fısica puede desempenarse en el campo de la investigacion aplicada dandole
sentido tecnologico y social a la fısica y promoviendo el desarrollo de esta en
sus estudiantes.
4. El experimento realizado tiene un diseno sencillo, lo que hace que el montaje
39
experimental sea un referente para la realizacion de practicas experimenta-
les que involucren el estudio del proceso de termalizacion, seccion eficaz y
camino libre medio, ademas de todos los procesos involucrados en la detec-
cion de radiacion neutra.
5. Los resultados obtenidos son un referente de la respuesta de un detector de3He a un proceso de interaccion de neutrones con un medio multi-elemental.
6. La descripcion de los procesos fısicos ayuda al lector interesado en operar un
equipo de deteccion de neutrones, a entender los procesos que intervienen
en la operacion del instrumento y que son de gran utilidad al interpretar
los resultados obtenidos.
Anexo B: Esquema de conceptos,
procesos y herramientas
involucrados en el desarrollo
experimental
Los siguientes cuadros muestras las herramientas, procesos y conceptos uti-
lizados en la realizacion del presente trabajo. El trabajo se divide en tres fases
complementarias; indagacion, desarrollo y construccion y por ultimo analisis de
datos, cada una de estas fases es esquematizada. Se debe tener en cuenta que
todas las fases giran en torno al proceso de termalizacion de neutrones. En los
siguientes cuadros se puede ver un panorama de como el desarrollo de los procesos
apoyados por los conceptos y herramientas son retro-alimentados para obtener
una respuesta al problema experimental planteado. Tambien se puede notar que
para obtener conclusiones del experimento realizado es necesario acudir a diferen-
tes aspectos de la fısica, como a herramientas estadısticas, computacionales y a
otras ciencias. Esto ratifica la importancia del desarrollo cientıfico en los procesos
de formacion. En el esquema planteado la conexion entre las fases de indagacion
y desarrollo y construccion, ayuda al estudiante a generar una representacion
propia de los fenomenos observados, lo cual promueve el proceso critico de sus
propios resultados.
41
42ANEXO
B
Fısica de suelos
RadiacionesFase de indagacion
fision inducida
fision expontanea
interaccion radiacion-materia
colisiones elasticase inelasticas
reacciones nucleares
simulacion de colisonesreiteradas
Ley de Darcy
Ecuacion de Richardde fluidos
Sistemas GranularesClasificacion
Composicion
Sistemas multi-elementales
Objetos organicos
Minas plasticas
Composicion
Cadenas de carbono
Fısica
43
Fase de diseno y construccion Termalizacion de neutrones
Clasificacion de losneutrones por energıa termico
neutron
Seccion eficazen la deteccionReacciones usadas
de neutrones termicosCamino libre medio
Deteccion de neutrones termicos
Campo electrico
ionizacion
creacion par electron-ion
Respuesta
eficiencia
sensibilidad
Electonica basica
44 ANEXO B
Fase de Analisis Distribuciones estadısticas
Poisson
χ2
Procesos aleatoriosAnalisis de datos Programacion
c++
PerlR
Root
Gnuplot
Bibliografıa
[1] Nancy Forero. Simulacion del proceso de deteccion de elementos organicos
por dispersion de neutrones. Tesis de maestrıa.
[2] Angel Cruz. Neutron backscattering technique for the detection of buried
organic objects, 2009. Tesis de maestrıa.
[3] James Chadwick. The existence of a neutron. The Royal Society, 1932.
[4] William Leo. Radiation Detection and Measurements. Springer-Verlag, 1987.
[5] Sources. Californium 252 source description.
[6] Fernando Cristancho. Fısica nuclear, 2009. Libro en proceso de publicacion.
[7] Glenn Knoll. Radiation Detection and Measurement. John Wiley and Sons,
2000.
[8] National Nuclear Data Center. http://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.jsp,
2001.
[9] Malcolm Sumner. Handbook of Soil Science. Springer, 1993.
[10] Marc Pansu. Handbook of soil analysis: mineralogical, organic and inorganic
methods. Springer-Verlag, 2006.
[11] et. al. Jean-Michel Gobat. The living soil: fundamentals of soil science and
soil biology, pag:47. Science Publishers Inc, 2003.
[12] Juan Carlos Zamora. La humedad en las propiedades fısicas del suelo, 2008.
Tesis de pregrado.
[13] ROOT team. The root users guide 5.26. www.root.cern.ch.
45