Космогенные нуклиды (или космогенные изотопы ) — это редкие нуклиды ( изотопы ), которые образуются при взаимодействии высокоэнергетических космических лучей с ядром атома Солнечной системы in situ , в результате чего нуклоны (протоны и нейтроны) выбрасываются из атома (см. расщепление космических лучей ). Эти нуклиды образуются в земных материалах, таких как камни или почва , в атмосфере Земли и во внеземных объектах, таких как метеороиды . Измеряя космогенные нуклиды, ученые могут получить представление о ряде геологических и астрономических процессов. Существуют как радиоактивные , так и стабильные космогенные нуклиды. Некоторые из этих радионуклидов — тритий , углерод-14 и фосфор-32 .
Некоторые легкие (с низким атомным числом) первичные нуклиды (изотопы лития , бериллия и бора ), как полагают, были созданы не только во время Большого взрыва , но также (и, возможно, в первую очередь) были созданы после Большого взрыва, но до конденсации Солнечной системы, в процессе расщепления космических лучей на межзвездном газе и пыли. Это объясняет их более высокую распространенность в космической пыли по сравнению с их распространенностью на Земле. Это также объясняет переизбыток ранних переходных металлов непосредственно перед железом в периодической таблице — расщепление железа космическими лучами производит скандий через хром, с одной стороны, и гелий через бор, с другой. [1] Однако произвольное определение космогенных нуклидов как образованных «in situ в Солнечной системе» (то есть внутри уже агрегированной части Солнечной системы) не позволяет первичным нуклидам, образованным путем расщепления космических лучей до образования Солнечной системы, называться «космогенными нуклидами» — хотя механизм их образования абсолютно тот же. Эти же самые нуклиды все еще поступают на Землю в небольших количествах с космическими лучами и образуются в метеороидах, в атмосфере, на Земле «космогенно». Однако бериллий ( все это стабильный бериллий-9) изначально присутствует в Солнечной системе в гораздо больших количествах, поскольку существовал до конденсации Солнечной системы и, таким образом, присутствует в материалах, из которых образовалась Солнечная система.
Чтобы провести различие другим способом, время их образования определяет, какое подмножество нуклидов, образованных расщеплением космических лучей, называется первичным или космогенным (нуклид не может принадлежать к обоим классам). По соглашению, некоторые стабильные нуклиды лития, бериллия и бора, как полагают, были образованы расщеплением космических лучей в период времени между Большим взрывом и образованием Солнечной системы (таким образом, делая эти первичные нуклиды , по определению), не называются «космогенными», даже если они были образованы тем же процессом, что и космогенные нуклиды (хотя и в более раннее время). [1] [3] Первичный нуклид бериллий-9, единственный стабильный изотоп бериллия, является примером этого типа нуклида.
Напротив, хотя радиоактивные изотопы бериллий-7 и бериллий-10 попадают в эту серию из трех легких элементов (литий, бериллий, бор), образованных в основном путем расщепления космическими лучами нуклеосинтеза , оба этих нуклида имеют слишком короткие периоды полураспада (53 дня и около 1,4 миллиона лет, соответственно), чтобы они могли образоваться до образования Солнечной системы, и, таким образом, они не могут быть первичными нуклидами. Поскольку путь расщепления космическими лучами является единственным возможным источником естественного появления бериллия-7 и бериллия-10 в окружающей среде, они, следовательно, являются космогенными.
Ниже приведен список радиоизотопов, образующихся под воздействием космических лучей ; в списке также указан способ производства изотопа. [4] Большинство космогенных нуклидов образуются в атмосфере, но некоторые из них образуются in situ в почве и горных породах, подвергающихся воздействию космических лучей, в частности, кальций-41 в таблице ниже.
Как видно из таблицы выше, существует широкий спектр полезных космогенных нуклидов, которые можно измерить в почве, горных породах, грунтовых водах и атмосфере. [5] Все эти нуклиды имеют общую черту: они отсутствуют в исходном материале во время формирования. Эти нуклиды химически различны и делятся на две категории. Нуклиды, представляющие интерес, — это либо благородные газы , которые из-за своего инертного поведения по своей природе не удерживаются в кристаллизованном минерале, либо имеют достаточно короткий период полураспада, чтобы распасться с момента нуклеосинтеза , но достаточно длительный период полураспада, чтобы накопить измеримые концентрации. Первый включает измерение распространенности 81 Kr и 39 Ar, тогда как последний включает измерение распространенности 10 Be, 14 C и 26 Al.
При столкновении космических лучей с веществом могут происходить три типа реакций, которые, в свою очередь, производят измеряемые космогенные нуклиды. [6]
Поскольку Земля выпирает на экваторе, а горы и глубокие океанические впадины допускают отклонения в несколько километров относительно однородно гладкого сфероида, космические лучи бомбардируют поверхность Земли неравномерно в зависимости от широты и высоты. Таким образом, для точного определения потока космических лучей необходимо учитывать множество географических и геологических факторов. Например, атмосферное давление , которое меняется с высотой, может изменить скорость образования нуклидов в минералах в 30 раз между уровнем моря и вершиной горы высотой 5 км. Даже изменения в наклоне земли могут повлиять на то, насколько далеко высокоэнергетические мюоны могут проникнуть в недра. [8] Напряженность геомагнитного поля, которая меняется со временем, влияет на скорость образования космогенных нуклидов, хотя некоторые модели предполагают, что изменения напряженности поля усредняются в течение геологического времени и не всегда учитываются.