Космогенные нуклиды (или космогенные изотопы ) — это редкие нуклиды ( изотопы ), образующиеся при взаимодействии высокоэнергетических космических лучей с ядром находящегося на месте атома Солнечной системы , в результате чего нуклоны (протоны и нейтроны) выбрасываются из атома (см. космические лучи ) . откол ). Эти нуклиды производятся 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 .
Считается , что некоторые легкие (с низким атомным номером) первичные нуклиды (изотопы лития , бериллия и бора ) были созданы не только во время Большого взрыва , но также (и, возможно, в первую очередь) после Большого взрыва, но до конденсация Солнечной системы в результате расщепления космических лучей на межзвездный газ и пыль. Этим объясняется их более высокая распространенность в космической пыли по сравнению с численностью на Земле. Это также объясняет избыток 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 о том, что они формируются «in situ в Солнечной системе» (то есть внутри уже агрегированной части Солнечной системы), предотвращает образование первичных нуклидов в результате расщепления космических лучей до образования Солнечной системы. Систему нельзя называть «космогенными нуклидами», хотя механизм их образования совершенно тот же. Эти же нуклиды до сих пор в небольших количествах поступают на Землю с космическими лучами и образуются в метеороидах, в атмосфере, на Земле «космогенно». Однако бериллий ( весь стабильный бериллий-9) присутствует [2] изначально в Солнечной системе в гораздо больших количествах, существовавший до конденсации Солнечной системы и, таким образом, присутствующий в материалах, из которых сформировалась Солнечная система. .
Другими словами, время их образования определяет, какое подмножество нуклидов, образовавшихся в результате расщепления космических лучей, называется первичным или космогенным (нуклид не может принадлежать к обоим классам). По соглашению считается, что некоторые стабильные нуклиды лития, бериллия и бора образовались в результате расщепления космических лучей в период времени между Большим взрывом и формированием Солнечной системы (таким образом, эти первичные нуклиды по определению) не называются «космогенные», хотя они образовались в результате того же процесса, 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 этот ряд из трех легких элементов (литий, бериллий, бор), образующихся в основном в результате нуклеосинтеза расщепления космических лучей , оба этих нуклида имеют слишком короткий период полураспада (53 дня). и около 1,4 миллиона лет соответственно), чтобы они образовались до образования Солнечной системы и, следовательно, не могут быть первичными нуклидами. Поскольку путь расщепления космических лучей является единственным возможным источником естественного появления бериллия-7 и бериллия-10 в окружающей среде, они, следовательно, являются космогенными.
Вот список радиоизотопов, образовавшихся под действием космических лучей ; список также содержит 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, особенно кальций-41, как показано в таблице ниже.
Как видно из таблицы выше, существует множество полезных космогенных нуклидов, которые можно измерить в почве, горных породах, грунтовых водах и атмосфере. [5] Все эти нуклиды имеют общую особенность: они отсутствуют в исходном материале во время формирования. Эти нуклиды химически различны и делятся на две категории. Нуклиды, представляющие интерес, представляют собой либо благородные газы , которые из-за своего инертного поведения по своей природе не задерживаются в кристаллизованном минерале, либо имеют достаточно короткий период полураспада, так что он распался с момента нуклеосинтеза , но достаточно длительный период полураспада, так что он образовал до измеримых концентраций. Первый включает измерение содержания 81 Kr и 39 Ar, тогда как второй включает измерение содержания 10 Be, 14 C и 26 Al.
Когда космические лучи попадают в материю, могут возникнуть три типа реакций космических лучей, которые, в свою очередь, производят измеренные космогенные нуклиды. [6]
Поскольку у Земли выпуклости на экваторе, а горы и глубокие океанические впадины допускают отклонения на несколько километров относительно равномерно гладкого сфероида, космические лучи бомбардируют поверхность Земли неравномерно в зависимости от широты и высоты. Таким образом, для точного определения потока космических лучей необходимо учитывать многие географические и геологические соображения. Например, атмосферное давление , которое меняется в зависимости от высоты, может изменить скорость производства нуклидов в минералах в 30 раз между уровнем моря и вершиной горы высотой 5 км. Даже изменения наклона земли могут повлиять на то, насколько далеко мюоны высокой энергии могут проникнуть в недра. [8] Сила геомагнитного поля, которая меняется со временем, влияет на скорость производства космогенных нуклидов, хотя некоторые модели предполагают, что изменения напряженности поля усредняются за геологическое время и не всегда учитываются.