Первичный нуклид

В геохимии , геофизике и ядерной физике первичные нуклиды , также известные как первичные изотопы , представляют собой обнаруженные на Земле нуклиды , которые существовали в своей нынешней форме еще до образования Земли . Первичные нуклиды присутствовали в межзвездной среде, из которой образовалась Солнечная система, и образовались во время или после Большого взрыва путем нуклеосинтеза в звездах и сверхновых с последующим выбросом массы, расщеплением космических лучей и, возможно, в результате других процессов. Это стабильные нуклиды плюс долгоживущая фракция радионуклидов, сохранившаяся в первичной солнечной туманности за счет аккреции планет до настоящего времени; Известно 286 таких нуклидов.

Стабильность

Все известные 251 стабильный нуклид , а также еще 35 нуклидов, период полураспада которых достаточен для того, 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
CD
,¹¹⁶
CD
;¹²⁸
Те
,¹³⁰
Те
;¹²⁴
Ксе
,¹³⁶
Ксе
;¹⁴⁴
Нд
,¹⁵⁰
Нд
;¹⁴⁷
см
,¹⁴⁸
см
;¹⁸⁴
Операционные системы
,¹⁸⁶
Операционные системы
; и²³⁵
ты
,²³⁸
ты
).

Потому что возраст Земли4,58 × 10 ⁹ лет (4,6 миллиарда лет), период полураспада данных нуклидов должен быть больше примерно10 ⁸ лет (100 миллионов лет) из практических соображений. Например, для нуклида с периодом полураспада6 × 10 ⁷ лет (60 миллионов лет), это означает, что прошло 77 периодов полураспада, то есть на каждый моль (6,02 × 10 ²³ атома ) этого нуклида присутствовало при формировании Земли, сегодня осталось только 4 атома.

Семь первичных нуклидов с самым коротким периодом полураспада (т. е. нуклиды с самым коротким периодом полураспада), которые были экспериментально подтверждены:⁸⁷
руб.
(5,0 × 10 ¹⁰ лет ),¹⁸⁷
Ре
(4,1 × 10 ¹⁰ лет ),¹⁷⁶
Лу
(3,8 × 10 ¹⁰ лет ),²³²
че
(1,4 × 10 ¹⁰ лет ),²³⁸
ты
(4,5 × 10 ⁹ лет ),40К(1,25 × 10 ⁹ лет ) и²³⁵
ты
(7,0 × 10 ⁸ лет ).

Это семь нуклидов с периодом полураспада, сопоставимым или несколько меньшим предполагаемого возраста Вселенной . ( ⁸⁷ Rb, ¹⁸⁷ Re, ¹⁷⁶ Lu и ²³² Th имеют периоды полураспада, несколько превышающие возраст Вселенной.) Полный список 35 известных первичных радионуклидов, включая следующие 28 с периодом полураспада, намного превышающим возраст Вселенной. возраст Вселенной, полный список см. ниже. Для практических целей нуклиды, период полураспада которых намного превышает возраст Вселенной, можно рассматривать как стабильные. ⁸⁷ Rb, ¹⁸⁷ Re, ¹⁷⁶ Lu, ²³² Th и ²³⁸ U имеют период полураспада, достаточно длительный, поэтому их распад ограничен в геологических масштабах времени; ⁴⁰ K и ²³⁵ U имеют более короткий период полураспада и, следовательно, сильно обеднены, но все же достаточно долгоживущие, чтобы значительно сохраняться в природе.

Самым долгоживущим изотопом, первобытность которого не доказана ^[1], является¹⁴⁶
см
, период полураспада которого составляет1,03 × 10 ⁸ лет , за которым следует²⁴⁴
Пу
(8,08 × 10 ⁷ лет ) и92Нб(3,5 × 10 ⁷ лет ). Сообщалось, что ^{244 Pu существует в природе в виде первичного нуклида}^[2] , хотя более поздние исследования не обнаружили его. ^[3] Учитывая, что все эти нуклиды должны существовать не менее4,6 × 10 ⁹ лет , ¹⁴⁶ См должен пережить 45 периодов полураспада (и, следовательно, уменьшиться на 2 ⁴⁵ ≈ 4 × 10 ¹³ ), ²⁴⁴ Pu должен пережить 57 (и уменьшиться в 2 ⁵⁷ ≈ 1 × 10 ¹⁷ ), а ⁹² Nb должны пережить 130 (и уменьшиться на 2 ¹³⁰ ≈ 1 × 10 ³⁹ ). С математической точки зрения, учитывая вероятное первоначальное содержание этих нуклидов, первичные ¹⁴⁶ Sm и ²⁴⁴ Pu должны сохраняться где-то в пределах Земли сегодня, даже если их невозможно идентифицировать в относительно небольшой части земной коры, доступной для человеческих анализов, в то время как ⁹² Nb и все короткоживущие нуклиды не должны. Нуклиды, такие как ⁹² Nb, которые присутствовали в первичной солнечной туманности, но уже давно полностью распались, называются вымершими радионуклидами , если у них нет других способов регенерации. ^[4]

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

Встречающиеся в природе нуклиды, не являющиеся первичными

Некоторые нестабильные изотопы, встречающиеся в природе (например,14С,3ЧАС, и²³⁹
Пу
) не являются первичными, так как их необходимо постоянно регенерировать. Это происходит за счет космического излучения (в случае космогенных нуклидов, таких как¹⁴
С
и³
ЧАС
), или (редко) такими процессами, как геоядерная трансмутация ( нейтронный захват урана в случае²³⁷
Нп
и²³⁹
Пу
). Другими примерами распространенных в природе, но непервичных нуклидов являются изотопы радона , полония и радия , которые являются радиогенными дочерними нуклидами распада урана и обнаруживаются в урановых рудах. Стабильный изотоп аргона ⁴⁰ Ar на самом деле более распространен как радиогенный нуклид, чем как первичный нуклид, образуя почти 1% земной атмосферы , которая регенерируется в результате бета-распада чрезвычайно долгоживущего радиоактивного первичного изотопа 40 К , половина которого -Жизнь существует порядка миллиарда лет и, таким образом, генерирует аргон с самого начала существования Земли. (В первозданном аргоне преобладал нуклид альфа-процесса ³⁶ Ar, который на Земле встречается значительно реже, чем ⁴⁰ Ar.)

Аналогичный радиогенный ряд происходит от долгоживущего первичного радиоактивного нуклида ²³² Th . Эти нуклиды описываются как геогенные, что означает, что они представляют собой продукты распада или деления урана или других актинидов в подземных породах. ^[5] Все такие нуклиды имеют более короткий период 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 же могут кратковременно встречаться в природе как продукты спонтанного деления одного из этих трех долгоживущих нуклидов, таких как ¹²⁶ Sn , что делает около 10-14 ^всего природного олова . ^[6]

Первичные элементы

Первичный элемент — это химический элемент , содержащий хотя бы 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 это будет четвертый радиоактивный первичный элемент, хотя практически его все равно будет удобнее производить синтетически. Период полураспада висмута настолько велик, что его часто относят к 80 первичным стабильным элементам, поскольку его радиоактивность не является поводом для серьезного беспокойства. Число элементов меньше количества нуклидов, поскольку многие первичные элементы представлены множеством изотопов . См. химический элемент для получения дополнительной информации.

Стабильные нуклиды природного происхождения

Как отмечается, их около 251. Список см. в статье Список элементов по стабильности изотопов . Полный список, указывающий, какие из «стабильных» 251 нуклидов могут быть в некотором отношении нестабильными, см. в списке нуклидов и стабильных нуклидов . Эти вопросы не влияют на вопрос о том, является ли нуклид первичным, поскольку все «почти стабильные» нуклиды, период полураспада которых превышает возраст Вселенной, также являются первичными.

Радиоактивные первичные нуклиды

Хотя подсчитано, что около 35 первичных нуклидов являются радиоактивными (список ниже), становится очень сложно определить точное общее количество радиоактивных первичных нуклидов, поскольку общее количество стабильных нуклидов неизвестно. Существует множество чрезвычайно долгоживущих нуклидов, период полураспада которых до сих пор неизвестен, фактически все нуклиды тяжелее диспрозия-164 теоретически радиоактивны. Например, теоретически предсказано, что все изотопы вольфрама , включая те, которые даже самые современные эмпирические методы считают стабильными, должны быть радиоактивными и могут распадаться посредством альфа-излучения , но по состоянию на 2013 год ^[update]это можно было измерить только экспериментально для¹⁸⁰
Вт
. ^[7] Точно так же ожидается, что все четыре первичных изотопа свинца распадутся до ртути , но прогнозируемые периоды полураспада настолько велики (некоторые из них превышают 10 ¹⁰⁰ лет), что такие распады вряд ли можно будет наблюдать в ближайшем будущем. Тем не менее, количество нуклидов, период полураспада которых настолько велик, что их невозможно измерить с помощью современных приборов (и которые с этой точки зрения считаются стабильными нуклидами ), ограничено. Даже когда «стабильный» нуклид оказывается радиоактивным, он просто перемещается из стабильного списка первичных нуклидов в нестабильный , а общее количество первичных нуклидов остается неизменным. Для практических целей эти нуклиды можно считать стабильными для всех целей, выходящих за рамки специализированных исследований. ^{[ нужна 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 имеют по 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 встречается в большем количестве, чем стабильный нуклид.

Самый долгоживущий из известных радионуклидов ¹²⁸ Te имеет период полураспада2,2 × 10 ²⁴ года , что в 160 триллионов раз больше возраста Вселенной . Только четыре из этих 35 нуклидов имеют период полураспада короче или равный возрасту Вселенной. У большинства из оставшихся 30 период полураспада намного дольше. Самый короткоживущий изначальный 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, например, ²⁰⁹ Bi, распадаются другими методами, такими как альфа-распад .

В конце списка добавлены еще два нуклида: ¹⁴⁶ Sm и ²⁴⁴ Pu. Их первобытность не подтверждена, но период их полураспада достаточно велик, поэтому незначительные количества должны сохраняться и сегодня.

Список легенд

№ (номер): Текущее положительное целое число для справки. Эти цифры могут немного измениться в будущем, поскольку в настоящее время существует 251 нуклид, классифицированный как стабильный, но теоретически предсказанный как нестабильный (см. Стабильный нуклид § Все еще ненаблюдаемый распад ), так что будущие эксперименты могут показать, что некоторые из них на самом деле нестабильны. Число начинается с 252, после 251 (наблюдательного) стабильного нуклида.
Нуклид: Идентификаторы нуклидов задаются их массовым числом A и символом соответствующего химического элемента (подразумевается уникальный номер протона ).
Энергия: Масса среднего нуклона этого нуклида относительно массы нейтрона (поэтому все нуклиды получают положительное значение) в МэВ /c ² , формально: $m n - m нуклид / A$ .
Период полураспада: Все время указано в годах.
Режим затухания
Энергия распада: Множественные значения (максимальной) энергии распада в МэВ сопоставлены с модами распада в их порядке.