stringtranslate.com

Калий-40

Калий-40 ( 40 K ) — радиоактивный изотоп калия с длительным периодом полураспада 1,25 миллиарда лет. Он составляет около 0,012% (120 ppm ) от общего количества калия, встречающегося в природе .

Калий-40 подвергается трем типам радиоактивного распада . Примерно в 89,28% случаев он распадается на кальций-40 ( 40Ca ) с испусканием бета-частицы (β− , электрона ) с максимальной энергией 1,31  МэВ и антинейтрино . Примерно в 10,72% случаев он распадается на аргон-40 ( 40Ar ) путем электронного захвата (EC) с испусканием нейтрино, а затем гамма-излучения с энергией 1,460 МэВ . [Примечание 1] Радиоактивный распад этого конкретного изотопа объясняет большое содержание аргона (почти 1%) в атмосфере Земли , а также преобладание 40Ar над другими изотопами . Очень редко (0,001% случаев) он распадается на 40Ar, испуская позитрон ( β + ) и нейтрино. [1]

Калий-аргоновое датирование

Схема распада

Калий-40 особенно важен в датировании по калию-аргону (K–Ar). Аргон — это газ, который обычно не соединяется с другими элементами. Поэтому, когда образуется минерал — будь то из расплавленной породы или из веществ, растворенных в воде — он изначально будет свободен от аргона, даже если в жидкости есть некоторое количество аргона. Однако, если минерал содержит калий, то распад присутствующего изотопа 40 K создаст свежий аргон-40, который останется запертым в минерале. Поскольку скорость, с которой происходит это преобразование, известна, можно определить прошедшее время с момента образования минерала, измерив соотношение содержащихся в нем атомов 40 K и 40 Ar.

Аргон, содержащийся в атмосфере Земли, на 99,6% состоит из 40Ar ; тогда как аргон на Солнце и, предположительно, в первичном материале, сконденсировавшемся в планеты, в основном состоит из 36Ar , с содержанием 38Ar менее 15% . Из этого следует, что большая часть земного аргона происходит из калия- 40 , который распался на аргон-40, который в конечном итоге попал в атмосферу.

Вклад в естественную радиоактивность

Эволюция радиогенного теплового потока мантии Земли с течением времени: вклад 40 К желтым цветом.

Радиоактивный распад 40 K в мантии Земли занимает третье место, после 232 Th и 238 U , как источник радиогенного тепла . Ядро также, вероятно, содержит радиогенные источники, хотя их количество неизвестно. Было высказано предположение, что значительная радиоактивность ядра (1–2 ТВт) может быть вызвана высокими уровнями U, Th и K. [2] [3]

Калий-40 является крупнейшим источником естественной радиоактивности у животных, включая людей. Человеческое тело весом 70 кг содержит около 140 г калия, следовательно, около 140 г × 0,0117% ≈ 16,4 мг 40 K; [4] чей распад производит около 3850 [5] до 4300 распадов в секунду ( беккерель ) непрерывно в течение всей жизни человека. [Примечание 2] [6]

Доза, эквивалентная банану

Калий-40 известен своим использованием в банановом эквиваленте дозы , неформальной единице измерения, в основном используемой в общеобразовательных учреждениях, для сравнения радиоактивных доз с количеством, полученным при употреблении одного банана . Радиоактивная доза от употребления одного банана, как правило, считается равной 10−7 зиверта  , или 0,1 микрозиверта, что составляет 1% от средней ежедневной дозы радиации для среднестатистического американца. [7]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Этот фотон назывался бы рентгеновским лучом, если бы он был испущен электроном. В ядерной физике принято называть фотоны в соответствии с их происхождением, а не энергией; высокоэнергетические фотоны, полученные в результате электрических переходов, называются «рентгеновскими лучами», а те, что испускаются атомными ядрами, называются « гамма-лучами » независимо от их энергии.
  2. ^ Число радиоактивных распадов в секунду в данной массе 40 К равно числу атомов в этой массе, деленное на среднее время жизни атома 40 К в секундах. Число атомов в одном грамме 40 К равно постоянной Авогадро 6,022 × 10 23  моль −1 деленное на атомный вес калия-40 (39,96 г/моль), что составляет около0,1507 × 10 23 на грамм. Как и в любом экспоненциальном распаде , среднее время жизни равно периоду полураспада, деленному на натуральный логарифм 2, или примерно56,82 × 10 15 секунд.

Ссылки

  1. ^ Engelkemeir, DW; Flynn, KF; Glendenin, LE (1962). "Positron Emission in the Decay of K 40 ". Physical Review . 126 (5): 1818. Bibcode : 1962PhRv..126.1818E. doi : 10.1103/PhysRev.126.1818.
  2. ^ Wohlers, A.; Wood, BJ (2015). «Похожий на ртуть компонент ранней Земли дает уран в ядре и верхней мантии 142Nd». Nature . 520 (7547): 337–340. Bibcode :2015Natur.520..337W. doi :10.1038/nature14350. PMC 4413371 . PMID  25877203. 
  3. ^ Murthy, V. Rama; Van Westrenen, Wim; Fei, Yingwei (2003). «Экспериментальное доказательство того, что калий является существенным источником радиоактивного тепла в планетарных ядрах». Nature . 423 (6936): 163–5. Bibcode :2003Natur.423..163M. doi :10.1038/nature01560. PMID  12736683. S2CID  4430068.
  4. ^ "Радиоактивное человеческое тело". Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде .
  5. ^ Коннор, Ник. «Что такое калий-40 – Характеристики – Период полураспада – Определение». Радиационная дозиметрия .
  6. ^ Bin Samat, S.; Green, S.; Beddoe, AH (1997). « 40 K-активность одного грамма калия». Physics in Medicine and Biology . 42 (2): 407–13. Bibcode :1997PMB....42..407S. doi :10.1088/0031-9155/42/2/012. PMID  9044422. S2CID  250778838.
  7. ^ Ник Коннор (14 декабря 2019 г.). «Что такое банановая эквивалентная доза – BED – Определение». Радиационная дозиметрия .

Внешние ссылки