Nuklid pierwotny - Primordial nuclide

Względna obfitość pierwiastków chemicznych w górnej skorupie kontynentalnej Ziemi , w przeliczeniu na atom

W geochemii , geofizyce i fizyce jądrowej , pierwotne nuklidy , znane również jako pierwotne izotopy , to nuklidy znalezione na Ziemi , które istniały w swojej obecnej formie jeszcze przed uformowaniem się Ziemi . Pierwotne nuklidy były obecne w ośrodku międzygwiazdowym, z którego powstał Układ Słoneczny, i powstały w Wielkim Wybuchu lub po Wielkim Wybuchu w wyniku nukleosyntezy w gwiazdach i supernowych, po której nastąpił wyrzut masy, spallacja kosmiczna i potencjalnie inne procesy. Są to stabilne nuklidy plus długowieczna frakcja radionuklidów, które przetrwały w pierwotnej mgławicy słonecznej poprzez akrecję planety aż do chwili obecnej; 286 takich nuklidów jest znanych.

Stabilność

Wszystkie znane 252 stabilne nuklidy plus kolejne 34 nuklidy, których okres półtrwania jest wystarczająco długi, aby przetrwały proces formowania się Ziemi, występują jako nuklidy pierwotne. Te 34 pierwotne radionuklidy reprezentują izotopy 28 oddzielnych pierwiastków . Kadm , tellur , ksenon , neodym , samar i uran mają po dwa pierwotne radioizotopy (113
Płyta CD
, 116
Płyta CD
; 128
Te
, 130
Te
; 124
Xe
, 136
Xe
; 144
NS
, 150
NS
; 147
Sm
, 148
Sm
; oraz235
U
, 238
U
).

Ponieważ wiek Ziemi to4,58 × 10 9  lat (4,6 miliarda lat), okres półtrwania danych nuklidów musi być większy niż około10 8  lat (100 milionów lat) dla rozważań praktycznych. Na przykład dla nuklidu z okresem półtrwania6 × 10 7  lat (60 milionów lat), oznacza to, że upłynęło 77 okresów półtrwania, co oznacza, że ​​na każdy kret (6,02 × 10 23  atomów ) tego nuklidu obecnego przy powstawaniu Ziemi, do dziś pozostały tylko 4 atomy.

Cztery najkrócej żyjące nuklidy pierwotne ( tj . nuklidy o najkrótszym okresie półtrwania), które zostały bezsprzecznie zweryfikowane eksperymentalnie, to:232
NS
(1,4 × 10 10  lat ),238
U
(4,5 × 10 9  lat ),40
K
(1,25 × 10 9  lat ) oraz235
U
(7,0 × 10 8  lat ).

Są to 4 nuklidy o okresach półtrwania porównywalnych lub nieco krótszych niż szacowany wiek wszechświata . ( 232 Th ma okres połowicznego rozpadu nieco dłuższy niż wiek wszechświata.) Pełną listę 34 znanych pierwotnych radionuklidów, w tym kolejnych 30 z okresami połowicznego rozpadu znacznie dłuższymi niż wiek wszechświata, patrz pełna lista poniżej . Ze względów praktycznych nuklidy o okresie połowicznego rozpadu znacznie dłuższym niż wiek wszechświata można traktować tak, jakby były stabilne. 232 Th i 238 U mają okresy półtrwania na tyle długie, że ich rozpad jest ograniczony w geologicznych skalach czasowych; 40 K i 235 U mają krótsze okresy półtrwania, a zatem są poważnie zubożone, ale nadal są wystarczająco długowieczne, aby utrzymać się znacząco w naturze.

Następnym najdłużej żyjącym nuklidem po końcu listy podanej w tabeli jest 244
Pu
, z okresem półtrwania 8,08 × 10 7  lat . Doniesiono, że istnieje w naturze jako pierwotny nuklid, chociaż późniejsze badania go nie wykryły. Drugim najdłużej żyjącym izotopem, o którym nie dowiedziono, że jest pierwotny, jest146
Sm
, który ma okres półtrwania 6,8 × 10 7  lat , około dwukrotnie większa od trzeciej, najdłużej mieszkał taki izotopu92
Nb
(3,5 × 10 7  lat ). Biorąc pod uwagę, że wszystkie te nuklidy muszą istnieć przez co najmniej4,6 × 10 9  lat , 244 Pu musi przetrwać 57 okresów półtrwania (a zatem zostać zredukowane o współczynnik 2 57  ≈ 1,4 × 10 17 ), 146 Sm musi przetrwać 67 (i zostać zredukowane o 2 67  ≈ 1,5 × 10 20 ), a 92 Nb musi przetrwać 130 (i zostać zmniejszone o 2 130  ≈ 1,4 × 10 39 ). Matematycznie, biorąc pod uwagę prawdopodobną początkową liczebność tych nuklidów, pierwotne 244 Pu i 146 Sm powinny utrzymywać się gdzieś na Ziemi dzisiaj, nawet jeśli nie można ich zidentyfikować w stosunkowo niewielkiej części skorupy ziemskiej dostępnej dla ludzkich testów, podczas gdy 92 Nb i wszystkie krócej żyjące nuklidy nie powinny. Nuklidy takie jak 92 Nb, które były obecne w pierwotnej mgławicy słonecznej, ale już dawno uległy całkowitemu rozkładowi, są określane jako wygasłe radionuklidy, jeśli nie mają innych możliwości regeneracji.

Ponieważ pierwotne pierwiastki chemiczne często składają się z więcej niż jednego pierwotnego izotopu, istnieje tylko 83 różnych pierwotnych pierwiastków chemicznych . Spośród nich 80 ma co najmniej jeden obserwacyjnie stabilny izotop, a trzy dodatkowe pierwiastki pierwotne mają tylko izotopy promieniotwórcze ( bizmut , tor i uran).

Naturalnie występujące nuklidy, które nie są pierwotne

Niektóre niestabilne izotopy, które występują naturalnie (takie jak 14
C
, 3
h
, oraz 239
Pu
) nie są pierwotne, ponieważ muszą być stale odnawiane. Odbywa się to przez promieniowanie kosmiczne (w przypadku nuklidów kosmogenicznych, takich jak14
C
oraz 3
h
) lub (rzadko) przez takie procesy, jak transmutacja geojądrowa ( wychwytywanie uranu przez neutrony w przypadku237
Np
oraz 239
Pu
). Innymi przykładami często występujących naturalnie, ale nie pierwotnych nuklidów są izotopy radonu , polonu i radu , z których wszystkie są radiogenicznymi nuklidami pochodnymi rozpadu uranu i znajdują się w rudach uranu. Stabilny izotop argonu 40 Ar jest w rzeczywistości bardziej powszechny jako nuklid radiogenny niż jako pierwotny nuklid, tworząc prawie 1% ziemskiej atmosfery , która jest regenerowana przez rozpad beta niezwykle długowiecznego radioaktywnego pierwotnego izotopu 40 K , którego połowa - życie trwa około miliarda lat, a zatem od początku istnienia Ziemi wytwarza argon. (Pierwotny argon był zdominowany przez nuklid
36 Ar z procesu alfa , który jest znacznie rzadszy niż 40 Ar na Ziemi.)

Podobna radiogeniczny seria pochodzi z długowiecznych nuklidu promieniotwórczego pierwotnej 232 Th . Nuklidy te są określane jako geogeniczne , co oznacza, że ​​są produktami rozpadu lub rozszczepienia uranu lub innych aktynowców w skałach podpowierzchniowych. Wszystkie takie nuklidy mają krótszy okres półtrwania niż ich macierzyste radioaktywne nuklidy pierwotne. Niektóre inne geogenicznym nuklidy nie występują w szereg promieniotwórczy o 232 Th, 235 U lub 238 U, ale nadal może przelotnie występują naturalnie jako produkty spontanicznego rozszczepienia jednego z tych trzech długowiecznych nuklidów, takich jak 126 Sn , co sprawia, do około 10-14 całej naturalnej cyny .

Pierwotne elementy

Istnieje 252 stabilne pierwotne izotopy i 34 radioaktywne pierwotne nuklidy, ale tylko 80 pierwotne stabilne elementy (od 1 do 82, to znaczy wodoru przez ołów, wyłączne 43 i 61, Tc i prometu , odpowiednio) i trzy radioaktywne pierwotne elementy (bizmutu, toru i uran). Okres półtrwania bizmutu jest tak długi, że często klasyfikuje się go zamiast 80 pierwotnych, stabilnych pierwiastków, ponieważ jego radioaktywność nie jest powodem do poważnych obaw. Liczba pierwiastków jest mniejsza niż liczba nuklidów, ponieważ wiele pierwiastków pierwotnych jest reprezentowanych przez wiele izotopów . Zobacz pierwiastek chemiczny, aby uzyskać więcej informacji.

Naturalnie występujące stabilne nuklidy

Jak zauważono, liczba ta wynosi około 252. Aby zapoznać się z listą, zobacz artykuł Lista pierwiastków według stabilności izotopów . Pełną listę wskazującą, które z „stabilnych” 252 nuklidów mogą być pod pewnymi względami niestabilne, można znaleźć w spisie nuklidów i stabilnych nuklidach . Pytania te nie wpływają na pytanie, czy nuklid jest pierwotny, ponieważ wszystkie „prawie stabilne” nuklidy, których okres półtrwania jest dłuższy niż wiek wszechświata, również są pierwotne.

Radioaktywne nuklidy pierwotne

Chociaż szacuje się, że około 34 pierwotnych nuklidów jest radioaktywnych (lista poniżej), bardzo trudno jest określić dokładną całkowitą liczbę promieniotwórczych pierwotnych nuklidów, ponieważ całkowita liczba stabilnych nuklidów jest niepewna. Istnieje wiele niezwykle długowiecznych nuklidów, których okresy półtrwania są wciąż nieznane. Na przykład, teoretycznie przewiduje się, że wszystkie izotopy wolframu , w tym te, które nawet najnowocześniejszymi metodami empirycznymi wskazują na stabilność, muszą być radioaktywne i mogą ulegać rozpadowi przez emisję alfa , ale od 2013 roku można to zmierzyć jedynie eksperymentalnie dla180
W
. Podobnie oczekuje się , że wszystkie cztery pierwotne izotopy ołowiu ulegną rozpadowi do rtęci , ale przewidywane okresy półtrwania są tak długie (niektóre przekraczają 10 100 lat), że trudno to zaobserwować w najbliższej przyszłości. Niemniej jednak liczba nuklidów o tak długim okresie połowicznego rozpadu, że nie można ich zmierzyć obecnymi instrumentami – iz tego punktu widzenia uważa się je za nuklidy stabilne – jest ograniczona. Nawet jeśli okaże się, że „stabilny” nuklid jest radioaktywny, po prostu przesuwa się on ze stabilnej do niestabilnej listy nuklidów pierwotnych, a całkowita liczba nuklidów pierwotnych pozostaje niezmieniona. Ze względów praktycznych nuklidy te można uznać za stabilne do wszystkich celów poza specjalistycznymi badaniami.

Lista 34 radioaktywnych pierwotnych nuklidów i zmierzonych okresów półtrwania

Te 34 pierwotne nuklidy reprezentują radioizotopy 28 różnych pierwiastków chemicznych (kadm, neodym, samar, tellur, uran i ksenon, z których każdy ma po dwa pierwotne radioizotopy). Radionuklidy są wymienione w kolejności stabilności, przy czym najdłuższy okres półtrwania rozpoczyna się na liście. Te radionuklidy w wielu przypadkach są tak prawie stabilne, że konkurują o obfitość ze stabilnymi izotopami ich odpowiednich pierwiastków. W przypadku trzech pierwiastków chemicznych, indu , telluru i renu , bardzo długowieczny radioaktywny pierwotny nuklid występuje w większej ilości niż stabilny nuklid.

Najdłużej żyjący radionuklid ma okres półtrwania 2,2 × 10 24  lata , czyli 160 bilionów razy więcej niż wiek Wszechświata . Tylko cztery z tych 34 nuklidów mają okresy połowicznego rozpadu krótsze lub równe wiekowi wszechświata. Większość z pozostałych 30 ma okres półtrwania znacznie dłuższy. Najkrócej żyjący pierwotny izotop, 235 U, ma okres połowicznego rozpadu 703,8 miliona lat, około jednej szóstej wieku Ziemi i Układu Słonecznego .

Nie. Nuklid Energia Pół
życia
(lata)

Tryb zaniku
Energia rozpadu
(MeV)
Około. stosunek
półtrwania do
wieku wszechświata
253 128 Te 8.743261 2,2 × 10 24 2 β 2,530 160 bilionów
254 124 Xe 8,778264 1,8 × 10 22 KK 2,864 1 trylion
255 78 kr 9.022349 9,2 × 10 21 KK 2,846 670 miliardów
256 136 Xe 8.706805 2,165 × 10 21 2 β 2,462 150 miliardów
257 76 Ge 9.034656 1,8 × 10 21 2 β 2.039 130 miliardów
258 130 ba 8.742574 1,2 × 10 21 KK 2.620 90 miliardów
259 82 Se 9,017596 1,1 × 10 20 2 β 2,995 8 miliardów
260 116 Cd 8.836146 3,102 × 10 19 2 β 2,809 2 miliardy
261 48 Ca 8.992452 2,301 × 10 19 2 β 4,274, 0,0058 2 miliardy
262 209 Bi 8.158689 2,01 × 10 19 α 3.137 1 miliard
263 96 Zr 8.961359 2,0 × 10 19 2 β 3.4 1 miliard
264 130 Te 8.766578 8,806 × 10 18 2 β 0,868 600 milionów
265 150 Nd 8.562594 7,905 × 10 18 2 β 3,367 600 milionów
266 100 miesięcy 8.933167 7,804 × 10 18 2 β 3.035 600 milionów
267 151 euro 8.565759 5.004 × 10 18 α 1,9644 300 milionów
268 180 W 8.347127 1,801 × 10 18 α 2,509 100 milionów
269 50 V 9.055759 1,4 × 10 17 β + lub β 2,205, 1,038 10 milionów
270 113 Cd 8.859372 7,7 × 10 15 β 0,321 600 000
271 148 Sm 8.607423 7.005 × 10 15 α 1,986 500 000
272 144 Nd 8.652947 2,292 × 10 15 α 1,905 200 000
273 186 Os 8.302508 2.002 × 10 15 α 2,823 100 000
274 174 Hf 8.392287 2.002 × 10 15 α 2,497 100 000
275 115 W 8.849910 4,4 × 10 14 β 0,499 30 000
276 152 Gd 8.562868 1,1 × 10 14 α 2.203 8000
277 190 pkt 8.267764 6,5 × 10 11 α 3.252 47
278 147 Sm 8.610593 1,061 × 10 11 α 2.310 7,7
279 138 La 8.698320 1,021 × 10 11 K lub β 1,737, 1,044 7,4
280 87 Rb 9.043718 4,972 × 10 10 β .283 3,6
281 187 Re 8.291732 4,122 × 10 10 β 0,0026 3
282 176 Łuż 8.374665 3,764 × 10 10 β 1,193 2,7
283 232 Th 7,918533 1,405 × 10 10 α lub SF 4.083 1
284 238 U 7.872551 4,468 × 10 9 α lub SF lub 2 β 4.270 0,3
285 40 K 8.909707 1,251 × 10 9 β lub K lub β + 1,311, 1,505, 1,505 0,09
286 235 jednostek 7,897198 7,038 × 10 8 α lub SF 4,679 0,05

Lista legend

Brak numeru)
Bieżąca liczba całkowita dodatnia w celach informacyjnych. Liczby te mogą się nieznacznie zmienić w przyszłości, ponieważ obecnie istnieją 252 nuklidy sklasyfikowane jako stabilne, ale które teoretycznie przewiduje się jako niestabilne (patrz Stabilny nuklid § Wciąż nieobserwowany rozpad ), więc przyszłe eksperymenty mogą wykazać, że niektóre są w rzeczywistości niestabilne. Liczba zaczyna się od 253, podążając za 252 (obserwacyjnie) stabilnymi nuklidami.
Nuklid
Identyfikatory nuklidów są podane przez ich liczbę masową A i symbol odpowiedniego pierwiastka chemicznego (implikuje unikalną liczbę protonów ).
Energia
Masa średniego nuklidu tego nuklidu w stosunku do masy neutronu (a więc wszystkie nuklidy uzyskują wartość dodatnią) w MeV /c 2 , formalnie: m nm nuklid / A .
Pół życia
Wszystkie czasy podane są w latach.
Tryb zaniku
α rozpad alfa
β β rozpad
K przechwytywanie elektronów
KK podwójne wychwytywanie elektronów
β + β + rozpad
SF spontaniczne rozszczepienie
2 β podwójny β rozpad
2 β + podwójne β + rozpad
i przejście izomeryczne
P emisja protonów
n emisja neutronów
Energia rozpadu
Wiele wartości (maksymalnej) energii rozpadu w MeV jest mapowanych na tryby rozpadu w ich kolejności.

Zobacz też

Bibliografia