Первородный нуклид - Primordial nuclide

Относительное содержание химических элементов в верхней континентальной коре Земли в расчете на один атом

В геохимии , геофизике и ядерной физике , изначальные нуклиды , также известная как изначальные изотопы , являются радионуклиды , обнаруженные на Земле , которые существовали в их нынешнем виде , так как прежде , чем образовались Земля . Первичные нуклиды присутствовали в межзвездной среде, из которой была сформирована Солнечная система, и были сформированы во время Большого взрыва или после него в результате нуклеосинтеза в звездах и сверхновых, за которым последовал выброс массы, расщепление космических лучей и, возможно, в результате других процессов. Это стабильные нуклиды плюс долгоживущая фракция радионуклидов, выживших в первичной солнечной туманности в результате аккреции планет до настоящего времени; Известно 286 таких нуклидов.

Стабильность

Все известные 252 стабильных нуклида плюс еще 34 нуклида с периодом полураспада, достаточным для того, чтобы выжить с момента образования Земли, встречаются как первичные нуклиды. Эти 34 первичных радионуклида представляют собой изотопы 28 отдельных элементов . Кадмий , теллур , ксенон , неодим , самарий и уран имеют по два первичных радиоизотопа (113
CD
, 116
CD
; 128
Te
, 130
Te
; 124
Xe
, 136
Xe
; 144
Nd
, 150
Nd
; 147
См
, 148
См
; а также235
U
, 238
U
).

Поскольку возраст Земли составляет4,58 × 10 9  лет (4,6 миллиарда лет), период полураспада данных нуклидов должен быть больше примерно10 8  лет (100 миллионов лет) для практических соображений. Например, для нуклида с периодом полураспада6 × 10 7  лет (60 миллионов лет), это означает, что прошло 77 периодов полураспада, что означает, что для каждого моль (6,02 × 10 23  атома ) того нуклида, присутствующего при формировании Земли, сегодня осталось только 4 атома.

Четыре первобытных нуклида с самым коротким периодом жизни ( т. Е. Нуклиды с самым коротким периодом полураспада), бесспорно экспериментально подтвержденные, являются:232
Чт
(1,4 × 10 10  лет ),238
U
(4,5 × 10 9  лет ),40
K
(1,25 × 10 9  лет ), и235
U
(7,0 × 10 8  лет ).

Это 4 нуклида с периодом полураспада, сопоставимым или несколько меньшим предполагаемого возраста Вселенной . ( Период полураспада 232 Th немного превышает возраст Вселенной.) Полный список из 34 известных первичных радионуклидов, включая следующие 30, период полураспада которых намного превышает возраст Вселенной, см. В полном списке ниже. . Для практических целей нуклиды с периодом полураспада, намного превышающим возраст Вселенной, можно рассматривать как стабильные. 232 Th и 238 U имеют достаточно длительный период полураспада, поэтому их распад ограничен геологическими временными масштабами; 40 K и 235 U имеют более короткий период полураспада и, следовательно, сильно истощены, но все же достаточно долгоживущие, чтобы в значительной степени сохраняться в природе.

Следующим по величине долгоживущим нуклидом после конца списка, приведенного в таблице, является 244
Пу
, с периодом полураспада 8.08 × 10 7  лет . Сообщалось, что он существует в природе как первичный нуклид, хотя более позднее исследование не обнаружило его. Вторым по величине долгоживущим изотопом, первичность которого не доказана, является146
См
, который имеет период полураспада 6,8 × 10 7  лет , что примерно вдвое больше, чем у третьего по продолжительности жизни такого изотопа.92
Nb
(3,5 × 10 7  лет ). Учитывая, что все эти нуклиды должны существовать не менее4,6 × 10 9  лет , 244 Pu должен пережить 57 периодов полураспада (и, следовательно, его количество сократится в 2 57  ≈ 1,4 × 10 17 ), 146 Sm должно пережить 67 (и уменьшиться на 2 67  ≈ 1,5 × 10 20 ), а 92 Nb должны выжить на 130 (и уменьшиться на 2130  ≈ 1,4 × 10 39 ). С математической точки зрения, учитывая вероятные начальные содержания этих нуклидов, первичные 244 Pu и 146 Sm должны сохраняться где-то на Земле сегодня, даже если они не поддаются идентификации в относительно небольшой части земной коры, доступной для исследований человека, в то время как 92 Nb и все короткоживущих нуклидов не должно. Нуклиды, такие как 92 Nb, которые присутствовали в первичной солнечной туманности, но давно уже полностью распались, называются вымершими радионуклидами, если у них нет других средств регенерации.

Поскольку первичные химические элементы часто состоят из более чем одного первичного изотопа, существует только 83 отдельных первичных химических элемента . Из них 80 имеют по крайней мере один стабильный изотоп, а три дополнительных первичных элемента содержат только радиоактивные изотопы ( висмут , торий и уран).

Нуклиды природного происхождения, не являющиеся первичными

Некоторые нестабильные изотопы, встречающиеся в природе (например, 14
C
, 3
ЧАС
, а также 239
Пу
) не являются изначальными, так как они должны постоянно возрождаться. Это происходит из-за космического излучения (в случае космогенных нуклидов, таких как14
C
а также 3
ЧАС
) или (реже) такими процессами, как геоядерная трансмутация ( нейтронный захват урана в случае237
Np
а также 239
Пу
). Другими примерами обычных природных, но не первородных нуклидов являются изотопы радона , полония и радия , которые являются дочерними радиогенными нуклидами распада урана и обнаруживаются в урановых рудах. Стабильный изотоп аргона 40 Ar на самом деле более распространен как радиогенный нуклид, чем как первичный нуклид, составляя почти 1% атмосферы Земли , которая восстанавливается в результате бета-распада чрезвычайно долгоживущего радиоактивного первичного изотопа 40 K , половина которого -Жизнь составляет порядка миллиарда лет и, таким образом, генерирует аргон с самого начала существования Земли. (В первичном аргоне преобладает нуклид альфа-процесса 36 Ar, который значительно реже, чем 40 Ar на Земле.)

Аналогичный радиогенный ряд происходит от долгоживущего радиоактивного первичного нуклида 232 Th . Эти нуклиды описываются как геогенные , что означает, что они являются продуктами распада или деления урана или других актинидов в подземных породах. Все такие нуклиды имеют более короткий период полураспада, чем их исходные радиоактивные первичные нуклиды. Некоторые другие геогенных нуклиды не встречаются в цепочках распада из 232 Th, 235 U или 238 U , но все еще мимолетно встречаются в природе в виде продуктов спонтанного деления одного из этих трех долгоживущих нуклидов, такие как 126 Sn , что делает до примерно 10-14 всего природного олова .

Первозданные элементы

Существует 252 стабильных первичных нуклида и 34 радиоактивных первичных нуклида, но только 80 первичных стабильных элементов (с 1 по 82, т.е. водород через свинец, исключая 43 и 61, технеций и прометий соответственно) и три радиоактивных первичных элемента (висмут, торий и уран). Период полураспада висмута настолько велик, что его часто относят к 80 первичным стабильным элементам, поскольку его радиоактивность не вызывает серьезных опасений. Количество элементов меньше, чем количество нуклидов, потому что многие из первичных элементов представлены несколькими изотопами . См. Химический элемент для получения дополнительной информации.

Стабильные нуклиды природного происхождения

Как уже отмечалось, их насчитывается около 252. Список см. В статье « Список элементов по стабильности изотопов» . Полный список с указанием того, какие из «стабильных» 252 нуклидов могут быть в некотором отношении нестабильными, см. В списке нуклидов и стабильных нуклидах . Эти вопросы не влияют на вопрос о том, является ли нуклид первичным, поскольку все «почти стабильные» нуклиды с периодом полураспада, превышающим возраст Вселенной, также являются первичными.

Радиоактивные первичные нуклиды

Хотя по оценкам около 34 первичных нуклидов являются радиоактивными (список ниже), становится очень трудно определить точное общее количество радиоактивных первичных нуклидов, поскольку общее количество стабильных нуклидов является неопределенным. Существует много чрезвычайно долгоживущих нуклидов, период полураспада которых до сих пор неизвестен. Например, теоретически предсказано, что все изотопы вольфрама , включая те изотопы , которые указаны даже самыми современными эмпирическими методами как стабильные, должны быть радиоактивными и могут распадаться за счет альфа-излучения , но с 2013 года это можно было измерить только экспериментально для180
W
. Аналогичным образом ожидается , что все четыре первичных изотопа свинца распадутся до ртути , но прогнозируемые периоды полураспада настолько велики (некоторые превышают 10 100 лет), что вряд ли можно будет наблюдать это в ближайшем будущем. Тем не менее, количество нуклидов с таким длительным периодом полураспада, что их невозможно измерить с помощью существующих инструментов - и с этой точки зрения они считаются стабильными нуклидами - ограничено. Даже когда «стабильный» нуклид оказывается радиоактивным, он просто перемещается из стабильного в нестабильный список первичных нуклидов, а общее количество первичных нуклидов остается неизменным. Для практических целей эти нуклиды могут считаться стабильными для всех целей вне специализированных исследований.

Список 34 радиоактивных первичных нуклидов и измеренных периодов полураспада

Эти 34 первичных нуклида представляют собой радиоизотопы 28 различных химических элементов (кадмий, неодим, самарий, теллур, уран и ксенон, каждый из которых имеет по два первичных радиоизотопа). Радионуклиды перечислены в порядке их стабильности, начиная с самого длинного периода полураспада в начале списка. Эти радионуклиды во многих случаях настолько стабильны, что конкурируют за содержание стабильных изотопов соответствующих элементов. Для трех химических элементов, индия , теллура и рения , очень долгоживущий радиоактивный первичный нуклид обнаружен в большем количестве, чем стабильный нуклид.

Самый долгоживущий радионуклид имеет период полураспада 2,2 × 10 24  года , что в 160 триллионов раз больше возраста Вселенной . Только четыре из этих 34 нуклидов имеют период полураспада меньше или равный возрасту Вселенной. Большинство из оставшихся 30 имеют период полураспада намного дольше. Самый короткоживущий первичный изотоп, 235 U, имеет период полураспада 703,8 миллиона лет, что составляет примерно одну шестую возраста Земли и Солнечной системы .

Нет. Нуклид Энергия Период
полураспада
(лет)

Режим распада
Энергия распада
(МэВ)
Прибл. отношение
периода полураспада к
возрасту Вселенной
253 128 Те 8,743261 2,2 × 10 24 2 β - 2,530 160 трлн
254 124 Xe 8,778264 1,8 × 10 22 KK 2,864 1 триллион
255 78 кр 9.022349 9,2 × 10 21 KK 2,846 670 миллиардов
256 136 Xe 8,706805 2,165 × 10 21 2 β - 2,462 150 миллиардов
257 76 Гэ 9,034656 1,8 × 10 21 2 β - 2,039 130 миллиардов
258 130 Ba 8,742574 1,2 × 10 21 KK 2,620 90 миллиардов
259 82 Se 9,017596 1,1 × 10 20 2 β - 2,995 8 миллиардов
260 116 кд 8,836146 3,102 × 10 19 2 β - 2,809 2000000000
261 48 Ca 8,992452 2,301 × 10 19 2 β - 4,274, 0,0058 2000000000
262 209 Би 8,158689 2,01 × 10 19 α 3,137 1000000000
263 96 Zr 8,961359 2,0 × 10 19 2 β - 3,4 1000000000
264 130 Те 8,766578 8,806 × 10 18 2 β - 0,868 600 миллионов
265 150 Nd 8,562594 7,905 × 10 18 2 β - 3,367 600 миллионов
266 100 мес. 8,933167 7,804 × 10 18 2 β - 3,035 600 миллионов
267 151 Eu 8,565759 5,004 × 10 18 α 1,9644 300000000
268 180 Вт 8,347127 1,801 × 10 18 α 2,509 100 миллионов
269 50 В 9,055759 1,4 × 10 17 β + или β - 2,205, 1,038 10 миллионов
270 113 кд 8,859372 7,7 × 10 15 β - .321 600 000
271 148 см 8,607423 7,005 × 10 15 α 1,986 500 000
272 144 Nd 8,652947 2,292 × 10 15 α 1,905 200 000
273 186 Ос 8.302508 2,002 × 10 15 α 2,823 100 000
274 174 Hf 8,392287 2,002 × 10 15 α 2,497 100 000
275 115 В 8,849910 4,4 × 10 14 β - 0,499 30 000
276 152 Gd 8,562868 1,1 × 10 14 α 2,203 8000
277 190 Пт 8,267764 6,5 × 10 11 α 3,252 47
278 147 см 8,610593 1,061 × 10 11 α 2.310 7,7
279 138 Ла 8,698320 1,021 × 10 11 К или β - 1,737, 1,044 7,4
280 87 руб. 9,043718 4,972 × 10 10 β - .283 3,6
281 187 Re 8,291732 4,122 × 10 10 β - 0,0026 3
282 176 Лю 8,374665 3,764 × 10 10 β - 1,193 2,7
283 232 Чт 7,918533 1,405 × 10 10 α или SF 4,083 1
284 238 U 7,872551 4,468 × 10 9 α или SF или 2 β - 4,270 0,3
285 40 К 8,909707 1,251 × 10 9 β - или К или β + 1,311, 1,505, 1,505 0,09
286 235 U 7,897198 7,038 × 10 8 α или SF 4,679 0,05

Список легенд

№ (номер)
Текущее положительное целое число для справки. Эти числа могут немного измениться в будущем, поскольку 252 нуклида теперь классифицируются как стабильные, но теоретически предсказываются как нестабильные (см. Стабильный нуклид § Распад , который еще не наблюдается), так что будущие эксперименты могут показать, что некоторые из них на самом деле нестабильны. Номер начинается с 253, что соответствует 252 (по наблюдениям) стабильным нуклидам.
Нуклид
Идентификаторы нуклидов даются их массовым числом A и символом соответствующего химического элемента (подразумевает уникальное число протона ).
Энергия
Масса в среднем нуклон этого нуклида по отношению к массе нейтрона (так что все нуклиды получить положительное значение) в МэВ / с 2 , формально: м п - м нуклид / .
Период полураспада
Все времена указаны в годах.
Режим распада
α α распад
β - β - распад
K захват электронов
KK двойной захват электронов
β + β + распад
SF спонтанное деление
2 β - двойной β - распад
2 β + двойной β + распад
я изомерный переход
п испускание протона
п нейтронное излучение
Энергия распада
Множественные значения (максимальной) энергии распада в МэВ отображаются на моды распада в их порядке.

Смотрите также

использованная литература