Первичный нуклид

В геохимии , геофизике и ядерной физике первичные нуклиды , также известные как первичные изотопы , — это нуклиды, обнаруженные на Земле , которые существовали в своей нынешней форме еще до образования Земли . Первичные нуклиды присутствовали в межзвездной среде, из которой образовалась Солнечная система, и были образованы во время или после Большого взрыва , путем нуклеосинтеза в звездах и сверхновых с последующим выбросом массы, путем расщепления космическими лучами и, возможно, в результате других процессов. Это стабильные нуклиды плюс долгоживущая фракция радионуклидов, сохранившихся в первичной солнечной туманности через аккрецию планет до настоящего времени; известно 286 таких нуклидов.

Стабильность

Все известные 251 стабильные нуклиды , а также еще 35 нуклидов, которые имеют достаточно долгий период полураспада , чтобы выжить с момента образования Земли, встречаются как первичные нуклиды. Эти 35 первичных радионуклидов представляют собой изотопы 28 отдельных элементов . Кадмий , теллур , ксенон , неодим , самарий , осмий и уран имеют по два первичных радиоизотопа (¹¹³
Кд
,¹¹⁶
Кд
;¹²⁸
Те
,¹³⁰
Те
;¹²⁴
Хе
,¹³⁶
Хе
;¹⁴⁴
нд
,¹⁵⁰
нд
;¹⁴⁷
См
,¹⁴⁸
См
;¹⁸⁴
Ос
,¹⁸⁶
Ос
; и235У,238У).

Потому что возраст Земли4,58 × 10 ⁹ лет (4,6 млрд лет), период полураспада данных нуклидов должен быть больше, чем 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, то есть для каждого моля (6,02 × 1023 ^атомов ) этого нуклида , присутствовавшего при формировании Земли, сегодня осталось только 4 атома.

Семь самых короткоживущих первичных нуклидов (т.е. нуклидов с самыми короткими периодами полураспада), которые были экспериментально проверены, это:⁸⁷
Руб.
(5,0 × 10 ¹⁰ лет ),¹⁸⁷
Повторно
(4,1 × 10 ¹⁰ лет ),¹⁷⁶
Лу
(3,8 × 10 ¹⁰ лет ),²³²
Чт
(1,4 × 10 ¹⁰ лет ),238У(4,5 × 10 ⁹ лет ),40К(1,25 × 10 ⁹ лет ) и235У(7,0 × 10 ⁸ лет ).

Это семь нуклидов с периодами полураспада, сопоставимыми или несколько меньшими, чем предполагаемый возраст Вселенной . ( ⁸⁷ Rb, ¹⁸⁷ Re, ¹⁷⁶ Lu и ²³² Th имеют периоды полураспада несколько больше, чем возраст Вселенной.) Полный список 35 известных первичных радионуклидов, включая следующие 28 с периодами полураспада, намного превышающими возраст Вселенной, см. в полном списке ниже. Для практических целей нуклиды с периодами полураспада, намного превышающими возраст Вселенной, можно рассматривать как стабильные. ⁸⁷ Rb, ¹⁸⁷ Re, ¹⁷⁶ Lu, ²³² Th и ²³⁸ U имеют периоды полураспада достаточно длинные, чтобы их распад был ограничен в геологических масштабах времени; ⁴⁰ K и ²³⁵ U имеют более короткие периоды полураспада и, следовательно, сильно истощены, но все еще достаточно долгоживущие, чтобы значительно сохраняться в природе.

Самый долгоживущий изотоп, первичность которого не доказана ^[1], — это¹⁴⁶
См
, период полураспада которого составляет1,03 × 10 ⁸ лет , затем следует²⁴⁴
Пу
(8,08 × 10 ⁷ лет ) и⁹²
Кол-во
(3,5 × 10 ⁷ лет ). В 1971 году сообщалось, что ^{244 Pu существует в природе в качестве первичного нуклида}^[2] , но это обнаружение не было подтверждено дальнейшими исследованиями в 2012 и 2022 годах. ^[3]^[4]

Принимая во внимание, что все эти нуклиды должны существовать не менее4,6 × 10 ⁹ лет , ¹⁴⁶ Sm должен пережить 45 периодов полураспада (и, следовательно, сократиться на 2 ⁴⁵ ≈ 4 × 10 ¹³ ), ²⁴⁴ Pu должен выжить 57 (и уменьшиться в 2 раза ⁵⁷ ≈ 1 × 10 ¹⁷ ), а ⁹² Nb должен выжить 130 (и уменьшиться на 2 ¹³⁰ ≈ 1 × 10 ³⁹ ). Математически, учитывая вероятную начальную распространенность этих нуклидов, первичные ¹⁴⁶ Sm и ²⁴⁴ Pu должны сохраняться где-то в пределах Земли сегодня, даже если они не идентифицируются в относительно небольшой части земной коры, доступной для человеческих анализов, в то время как ⁹² Nb и все более короткоживущие нуклиды не должны. Нуклиды, такие как ⁹² Nb, которые присутствовали в первичной солнечной туманности, но давно полностью распались, называются вымершими радионуклидами, если у них нет других способов регенерироваться. ^[5] Что касается ²⁴⁴ Pu, расчеты показывают, что по состоянию на 2022 год пределы чувствительности были примерно на один порядок величины далеки от обнаружения его как первичного нуклида. ^[4]

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

Природные нуклиды, которые не являются первичными

Некоторые нестабильные изотопы, которые встречаются в природе (например,14С,3ЧАС, и²³⁹
Пу
) не являются первичными, так как они должны постоянно регенерироваться. Это происходит под действием космического излучения (в случае космогенных нуклидов, таких как¹⁴
С
и³
ЧАС
), или (реже) такими процессами, как геоядерная трансмутация ( нейтронный захват урана в случае²³⁷
Нп
и²³⁹
Пу
). Другими примерами распространенных в природе, но не первичных нуклидов являются изотопы радона , полония и радия , которые являются дочерними радиогенными нуклидами распада урана и встречаются в урановых рудах. Стабильный изотоп аргона ^{40 Ar на самом деле более распространен как радиогенный нуклид, чем как первичный нуклид, образуя почти 1%}атмосферы Земли , которая восстанавливается бета-распадом чрезвычайно долгоживущего радиоактивного первичного изотопа 40 K , период полураспада которого составляет порядка миллиарда лет, и, таким образом, генерирует аргон с самого начала существования Земли. (В первичном аргоне доминировал альфа-процессный нуклид ³⁶ Ar, который на Земле встречается значительно реже, чем ⁴⁰ Ar.)

Похожий радиогенный ряд получен из 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. ^[6] Все такие нуклиды имеют более короткие периоды полураспада, чем их родительские радиоактивные первичные нуклиды. Некоторые другие геогенные нуклиды не встречаются в цепочках распада ²³² Th, ²³⁵ U или ²³⁸ U, но все еще могут мимолетно встречаться в природе как продукты спонтанного деления одного из этих трех долгоживущих нуклидов, таких как ¹²⁶ Sn , который составляет около 10−14 ^всего природного олова . ^[7] Другой, ⁹⁹ Tc , также был обнаружен. ^[8] Известно пять других долгоживущих продуктов деления .

Первичные элементы

Первичный элемент — это химический элемент , содержащий по крайней мере один первичный нуклид. Существует 251 стабильный первичный нуклид и 35 радиоактивных первичных нуклидов, но только 80 первичных стабильных элементов — от водорода до свинца, атомные номера от 1 до 82, за исключением технеция (43) и прометия (61) — и три радиоактивных первичных элемента — висмут (83), торий (90) и уран (92). Если плутоний (94) окажется первичным (в частности, долгоживущим изотопом ²⁴⁴ Pu), то он будет четвертым радиоактивным первичным элементом, хотя на практике его все равно было бы удобнее производить синтетически. Период полураспада висмута настолько велик, что его часто относят к 80 первичным стабильным элементам, поскольку его радиоактивность не вызывает серьезных опасений. Число элементов меньше числа нуклидов, поскольку многие из первичных элементов представлены несколькими изотопами . Для получения дополнительной информации см. химический элемент .

Природные стабильные нуклиды

Как уже отмечалось, их число составляет около 251. Список см. в статье Список элементов по стабильности изотопов . Полный список, в котором указано, какие из «стабильных» 251 нуклидов могут быть в некотором отношении нестабильными, см. Список нуклидов и стабильных нуклидов . Эти вопросы не влияют на вопрос о том, является ли нуклид первичным, поскольку все «почти стабильные» нуклиды с периодами полураспада больше возраста Вселенной также являются первичными.

Радиоактивные первичные нуклиды

Хотя предполагается, что около 35 первичных нуклидов являются радиоактивными (список ниже), становится очень трудно определить точное общее число радиоактивных первичных нуклидов, поскольку общее число стабильных нуклидов неопределенно. Существует много чрезвычайно долгоживущих нуклидов, периоды полураспада которых до сих пор неизвестны, фактически, все нуклиды тяжелее диспрозия-164 теоретически радиоактивны. Например, теоретически предсказано, что все изотопы вольфрама , включая те, которые указаны даже самыми современными эмпирическими методами как стабильные, должны быть радиоактивными и могут распадаться путем альфа-излучения , но по состоянию на 2013 год ^[update]это можно было измерить экспериментально только для¹⁸⁰
Вт
^[9] Аналогично, все четыре первичных изотопа свинца , как ожидается, распадутся до ртути , но прогнозируемые периоды полураспада настолько велики (некоторые превышают 10 ¹⁰⁰ лет), что такие распады вряд ли можно будет наблюдать в ближайшем будущем. Тем не менее, число нуклидов с периодами полураспада настолько велики, что их невозможно измерить с помощью современных приборов, и которые с этой точки зрения считаются стабильными нуклидами , ограничено. Даже когда обнаруживается, что «стабильный» нуклид является радиоактивным, он просто перемещается из стабильного в нестабильный список первичных нуклидов, а общее число первичных нуклидов остается неизменным. Для практических целей эти нуклиды можно считать стабильными для всех целей за пределами специализированных исследований. ^{[ требуется цитата ]}

Список 35 первичных радиоактивных нуклидов и измеренные периоды полураспада

Эти 35 первичных нуклидов представляют собой радиоизотопы 28 различных химических элементов (кадмий, неодим, осмий, самарий, теллур, уран и ксенон, каждый из которых имеет два первичных радиоизотопа). Радионуклиды перечислены в порядке стабильности, начиная с самого длительного периода полураспада. Эти радионуклиды во многих случаях настолько стабильны, что конкурируют за распространенность со стабильными изотопами соответствующих элементов. Для трех химических элементов, индия , теллура и рения , очень долгоживущий радиоактивный первичный нуклид обнаружен в большем распространении, чем стабильный нуклид.

Самый долгоживущий известный радионуклид, ^128Te , имеет период полураспада2,2 × 10 ²⁴ лет , что в 160 триллионов раз больше возраста Вселенной . Только четыре из этих 35 нуклидов имеют период полураспада, который короче или равен возрасту Вселенной. Большинство из оставшихся 30 имеют период полураспада намного больше. Самый короткоживущий первичный изотоп, ²³⁵ U, имеет период полураспада 703,8 миллиона лет, что составляет примерно одну шестую возраста Земли и Солнечной системы . Многие из этих нуклидов распадаются путем двойного бета-распада , хотя некоторые, такие как ²⁰⁹ Bi, распадаются другими способами, такими как альфа-распад .

В конце списка добавлены еще два нуклида: ¹⁴⁶ Sm и ²⁴⁴ Pu. Их первичная природа не подтверждена, но их периоды полураспада достаточно продолжительны, чтобы ничтожно малые количества сохранились и сегодня.

Список легенд

Нет. (номер): Текущее положительное целое число для справки. Эти числа могут немного измениться в будущем, поскольку сейчас 251 нуклид классифицируется как стабильный, но теоретически предсказывается, что он нестабилен (см. Стабильный нуклид § Все еще не наблюдаемый распад ), так что будущие эксперименты могут показать, что некоторые из них на самом деле нестабильны. Число начинается с 252, чтобы следовать за 251 (наблюдательно) стабильным нуклидом.
Нуклид: Идентификаторы нуклидов задаются их массовым числом A и символом соответствующего химического элемента (подразумевает уникальное число протонов ).
Энергия: Масса среднего нуклона этого нуклида относительно массы нейтрона (поэтому все нуклиды получают положительное значение) в МэВ /c2 ^, формально: $m n - m нуклида / A$ .
Период полураспада: Все времена указаны в годах.
Режим распада
Энергия распада: Несколько значений (максимальной) энергии распада в МэВ сопоставлены с модами распада в их порядке.

Смотрите также

Ссылки

^ Самир Маджи и др. (2006). «Разделение самария и неодима: предпосылка для получения сигналов от ядерного синтеза». Аналитик . 131 (12): 1332–1334. Bibcode :2006Ana...131.1332M. doi :10.1039/b608157f. PMID 17124541.
^ Хоффман, DC; Лоуренс, FO; Мьюэртер, JL; Рурк, FM (1971). «Обнаружение плутония-244 в природе». Nature . 234 (5325): 132–134. Bibcode :1971Natur.234..132H. doi :10.1038/234132a0. S2CID 4283169.
^ Lachner, J.; et al. (2012). "Попытка обнаружить первичный ²⁴⁴ Pu на Земле". Physical Review C. 85 ( 1): 015801. Bibcode : 2012PhRvC..85a5801L. doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801.
^ Аб Ву, Ян; Дай, Сюнсинь; Син, Шань; Ло, Маойи; Кристл, Маркус; Синал, Ханс-Арно; Хоу, Шаочунь (2022). «Прямой поиск первичного 244Pu в бастнезите Баян Обо». Китайские химические буквы . 33 (7): 3522–3526. дои : 10.1016/j.cclet.2022.03.036 . Проверено 29 января 2024 г.
^ PK Kuroda (1979). «Происхождение элементов: дореактор Ферми и плутоний-244 в природе». Accounts of Chemical Research . 12 (2): 73–78. doi :10.1021/ar50134a005.
^ Кларк, Ян (2015). Геохимия подземных вод и изотопы. CRC Press. стр. 118. ISBN 9781466591745. Получено 13 июля 2020 г. .
^ H.-T. Shen; et al. "Исследование измерения 126Sn с помощью AMS" (PDF) . accelconf.web.cern.ch . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-11-25 . Получено 2018-02-06 .
^ Дэвид Кертис, Джун Фабрика-Мартин, Пол Диксон, Ян Крамер (1999), «Необычные элементы природы: плутоний и технеций», Geochimica et Cosmochimica Acta , 63 (2): 275–285, Бибкод : 1999GeCoA..63.. 275C, doi :10.1016/S0016-7037(98)00282-8 {{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ "Интерактивная карта нуклидов (Nudat2.5)". Национальный центр ядерных данных . Получено 22.06.2009 .
^ abc Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.