В физике естественная распространенность (NA) относится к распространенности изотопов химического элемента , которые естественным образом встречаются на планете . Относительная атомная масса (взвешенное среднее значение, взвешенное по мольным долям распространенности) этих изотопов — это атомный вес , указанный для элемента в периодической таблице . Распространенность изотопа варьируется от планеты к планете и даже от места к месту на Земле, но остается относительно постоянной во времени (в краткосрочном масштабе).
Например, уран имеет три природных изотопа : 238 U, 235 U и 234 U. Их соответствующие естественные молярные доли составляют 99,2739–99,2752%, 0,7198–0,7202% и 0,0050–0,0059%. [1] Например, если проанализировать 100 000 атомов урана, можно было бы ожидать найти приблизительно 99 274 атома 238 U, приблизительно 720 атомов 235 U и очень мало (скорее всего 5 или 6) атомов 234 U. Это связано с тем, что 238 U намного стабильнее, чем 235 U или 234 U, о чем свидетельствует период полураспада каждого изотопа: 4,468 × 10 9 лет для 238 U по сравнению с 7,038 × 10 8 лет для 235 U и 245 500 лет для 234 U.
Именно потому, что разные изотопы урана имеют разные периоды полураспада, когда Земля была моложе, изотопный состав урана был другим. Например, 1,7×10 9 лет назад NA 235 U составляла 3,1% по сравнению с сегодняшними 0,7%, и это позволило сформироваться естественному ядерному реактору деления , чего сегодня произойти не может.
Однако на естественную распространенность данного изотопа также влияет вероятность его создания в нуклеосинтезе (как в случае самария ; радиоактивные 147 Sm и 148 Sm гораздо более распространены, чем стабильный 144 Sm) и производство данного изотопа в качестве дочернего продукта природных радиоактивных изотопов (как в случае радиогенных изотопов свинца ).
В настоящее время известно из изучения Солнца и примитивных метеоритов, что Солнечная система изначально была почти однородной по изотопному составу. Отклонения от (развивающегося) галактического среднего значения, локально отобранные около того времени, когда началось ядерное горение Солнца, в целом можно объяснить фракционированием массы (см. статью о фракционировании, независимом от массы ), а также ограниченным числом процессов ядерного распада и трансмутации. [2] Также имеются свидетельства впрыскивания короткоживущих (ныне вымерших) изотопов из взрыва сверхновой неподалеку, который мог спровоцировать коллапс солнечной туманности. [3] Следовательно, отклонения от естественного содержания на Земле часто измеряются в частях на тысячу ( промилле или ‰), поскольку они составляют менее одного процента (%).
Исключением из этого правила являются досолнечные зерна, обнаруженные в примитивных метеоритах. Эти мелкие зерна конденсировались в истечениях эволюционировавших («умирающих») звезд и избежали процессов смешивания и гомогенизации в межзвездной среде и солнечном аккреционном диске (также известном как солнечная туманность или протопланетный диск). [4] [ необходимо разъяснение ] Как звездные конденсаты («звездная пыль»), эти зерна несут изотопные сигнатуры определенных процессов нуклеосинтеза, в которых были созданы их элементы. [5] В этих материалах отклонения от «естественного изобилия» иногда измеряются в 100 раз. [ необходимо цитирование ] [4]
В следующей таблице приведены распределения земных изотопов для некоторых элементов. Некоторые элементы, такие как фосфор и фтор , существуют только в виде одного изотопа с естественным содержанием 100%.