Радиогенный нуклид

Радиогенный нуклид — это нуклид , образующийся в результате радиоактивного распада . Он сам по себе может быть радиоактивным ( радионуклид ) или стабильным ( стабильный нуклид ).

Радиогенные нуклиды (чаще называемые радиогенными изотопами ) являются одними из наиболее важных инструментов в геологии. Их используют двумя основными способами:

По сравнению с количеством радиоактивного «родительского изотопа» в системе количество радиогенного «дочернего продукта» используется в качестве инструмента радиометрического датирования (например, уран-свинцовая геохронология ).
По сравнению с количеством нерадиогенного изотопа того же элемента количество радиогенного изотопа используется для определения его изотопной характеристики (например, ²⁰⁶Пб/ ²⁰⁴Пб). Более подробно этот метод обсуждается в разделе изотопной геохимии .

Примеры

Некоторые встречающиеся в природе изотопы полностью радиогенны, но все они являются радиоактивными изотопами, период полураспада которых слишком короток, чтобы они существовали изначально и существуют до сих пор. Таким образом, они присутствуют только как радиогенные дочери либо продолжающихся процессов распада, либо космогенных (индуцированных космическими лучами) процессов, которые производят их в природе в свежем виде. Некоторые другие образуются естественным путем в результате нуклеогенных процессов (естественных ядерных реакций других типов, таких как поглощение нейтронов).

Для радиогенных изотопов, которые распадаются достаточно медленно или являются стабильными изотопами , первичная фракция всегда присутствует, поскольку все достаточно долгоживущие и стабильные изотопы фактически встречаются в природе изначально. Дополнительная фракция некоторых из этих изотопов может также возникать радиогенным путем.

Свинец , пожалуй, лучший пример частично радиогенного вещества, поскольку все четыре его стабильных изотопа ( ²⁰⁴Пб, ²⁰⁶Пб, ²⁰⁷Пб и ²⁰⁸Pb) присутствуют изначально, в известных и фиксированных соотношениях. Однако, ²⁰⁴Pb присутствует только изначально, тогда как остальные три изотопа могут также встречаться как продукты радиогенного распада урана и тория . Конкретно, ²⁰⁶Pb образуется из ²³⁸В, ²⁰⁷Pb из ²³⁵У, и ²⁰⁸Pb из ²³²Т.е. В породах, содержащих уран и торий, избыточное количество трех более тяжелых изотопов свинца позволяет «датировать» породы, обеспечивая тем самым оценку времени того, когда порода затвердела и минерал удержал соотношение изотопов фиксированным и на месте.

Другой известный радиогенный нуклид — аргон -40, образовавшийся из радиоактивного калия . Почти весь аргон в атмосфере Земли радиогенен, тогда как первичный аргон — это аргон-36.

Некоторая часть азота -14 радиогенна, образуясь в результате распада углерода-14 (период полураспада около 5700 лет), но углерод-14 образовался некоторое время назад из азота-14 под действием космических лучей.

Другими важными примерами радиогенных элементов являются радон и гелий , которые образуются при распаде более тяжелых элементов в коренных породах. Радон полностью радиогенен, поскольку у него слишком короткий период полураспада, чтобы он мог существовать в первозданном виде. Однако гелий изначально встречается в земной коре, поскольку и гелий-3 , и гелий-4 стабильны, и небольшие количества были задержаны в земной коре во время ее формирования. Гелий-3 почти полностью первичен (небольшое количество образуется в результате естественных ядерных реакций в земной коре). Гелий-3 также может быть получен как продукт распада трития ( ³H) который является продуктом некоторых ядерных реакций, в том числе тройного деления . Глобальные запасы гелия (который встречается в газовых скважинах, а также в атмосфере) в основном (около 90–99%) радиогенны, о чем свидетельствует его обогащение радиогенным гелием-4 в 10–100 раз по сравнению с первоначальным соотношением. гелия-4 в гелий-3. Последнее соотношение известно из внеземных источников, таких как некоторые лунные породы и метеориты, которые относительно свободны от материнских источников гелия-3 и гелия-4.

Как отмечалось в случае со свинцом-204, радиогенный нуклид часто не является радиоактивным. В этом случае, если период полураспада его предшественника-нуклида слишком короток, чтобы он мог выжить с первобытных времен, тогда родительский нуклид исчезнет и теперь будет известен исключительно благодаря относительному избытку своего стабильного дочернего элемента. На практике это происходит со всеми радионуклидами с периодом полураспада менее 50–100 миллионов лет. Такие нуклиды образуются в сверхновых , но известны как потухшие радионуклиды , поскольку сегодня их непосредственно на Земле не видно.

Примером вымершего радионуклида является йод-129 ; он распадается на ксенон-129, стабильный изотоп ксенона, который появляется в избытке по сравнению с другими изотопами ксенона. Он обнаружен в метеоритах, которые конденсировались из первичного пылевого облака Солнечной системы и захватили первичный йод-129 (период полураспада 15,7 миллионов лет) где-то за относительно короткий период (вероятно, менее 20 миллионов лет) между созданием йода-129 в сверхновой. и образование Солнечной системы путем конденсации этой пыли. Захваченный йод-129 теперь выглядит как относительный избыток ксенона-129. Йод-129 был первым вымершим радионуклидом, о котором было сделано предположение в 1960 году. Другими являются алюминий-26 (также выведенный из дополнительного количества магния-26, обнаруженного в метеоритах) и железо-60.

Радиогенные нуклиды, используемые в геологии

В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее важных систем радиогенных изотопов, используемых в геологии, в порядке убывания периода полураспада исходного радиоактивного изотопа. Значения периода полураспада и константы распада являются текущими консенсусными значениями в сообществе изотопной геологии. ^{[ 1 ]}

** обозначает конечный продукт распада ряда.

Единицы измерения, используемые в этой таблице
Гир = гигагод = 10 ⁹ годы
Мир = мегагод = 10 ⁶ годы
коровы = килогод = 10 ³ годы

Родительский нуклид	Дочерний нуклид	Константа распада (год ⁻¹)	Период полураспада
¹⁹⁰Пт	¹⁸⁶Ты	1.477 ×10 ⁻¹²	483 млрд.р. ^{[ 2 ]}
¹⁴⁷см	¹⁴³Нд	6.54 ×10 ⁻¹²	106 млрд. лет
⁸⁷руб.	⁸⁷старший	1.402 ×10 ⁻¹¹	49,44 млрд лет
¹⁸⁷Ре	¹⁸⁷Ты	1.666 ×10 ⁻¹¹	41,6 млрд лет
¹⁷⁶Лу	¹⁷⁶хф	1.867 ×10 ⁻¹¹	37,1 млрд лет
²³²че	²⁰⁸Пб**	4.9475 ×10 ⁻¹¹	14.01 млрд лет
⁴⁰К	⁴⁰С	5.81 ×10 ⁻¹¹	11,93 млрд лет ^{[ 3 ]}
²³⁸В	²⁰⁶Пб**	1.55125 ×10 ⁻¹⁰	4,468 млрд лет
⁴⁰К	⁴⁰Что	4.962 ×10 ⁻¹⁰	1,397 млрд лет
²³⁵В	²⁰⁷Пб**	9.8485 ×10 ⁻¹⁰	0,7038 млрд лет
¹²⁹я	¹²⁹Машина	4.3 ×10 ⁻⁸	16 млн лет
¹⁰Быть	¹⁰Б	4.6 ×10 ⁻⁷	1,5 млн лет
²⁶Ал	²⁶мг	9.9 ×10 ⁻⁷	0,70 млн лет
³⁶кл.	³⁶С (98%) ³⁶С (2%)	2.24 ×10 ⁻⁶	310 тыс.р.
²³⁴В	²³⁰че	2.826 ×10 ⁻⁶	245,25 тыс. лет
²³⁰че	²²⁶Солнце	9.1577 ×10 ⁻⁶	75,69 тыс. лет
²³¹Хорошо	²²⁷И	2.116 ×10 ⁻⁵	32,76 тыс. лет
¹⁴С	¹⁴Н	1.2097 ×10 ⁻⁴	5730 в год
²²⁶Солнце	²²²Рн	4.33 ×10 ⁻⁴	1600 лет

Радиогенный нагрев

Радиогенный нагрев происходит в результате выделения тепловой энергии при радиоактивном распаде. ^{[ 4 ]} при производстве радиогенных нуклидов. Наряду с теплом Первичного тепла (образующегося в результате планетарной аккреции), радиогенное нагревание, происходящее в мантии и коре , составляет два основных источника тепла в недрах Земли . ^{[ 5 ]} Большая часть радиогенного нагрева Земли возникает в результате распада дочерних ядер в цепочках распада урана -238 , тория-232 и калия-40 . ^{[ 6 ]}

См. также

Ссылки

^ Дикин, АП (2018). Радиогенно-изотопная геология . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781316163009 .
^ Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
^ Примечание: это не период полураспада ⁴⁰K, а скорее период полураспада, который соответствовал бы константе распада до ⁴⁰Ар. Около 89% ⁴⁰K распадается на ⁴⁰Что.
^ Аллаби, Алиса; Майкл Аллаби (1999). «Радиогенный нагрев» . Словарь наук о Земле . Проверено 24 ноября 2013 г.
^ Муттер, Джон К. «Земля как тепловая машина» . Введение в науки о Земле I. Колумбийский университет . п. 3.2. Мантийная конвекция . Проверено 23 ноября 2013 г.
^ Дюме, Белль (27 июля 2005 г.). «Дебют геонейтрино; Радиогенное тепло на Земле» . Мир физики . Институт физики . Проверено 23 ноября 2013 г.

Внешние ссылки

Национальный центр разработки изотопов. Государственные поставки радионуклидов; информация об изотопах; координация и управление производством, наличием и распространением изотопов
Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США по производству изотопов, а также производственным исследованиям и разработкам.

[1] Дикин, АП (2018). Радиогенно-изотопная геология . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781316163009 .

[NUBASE2020-2] Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .

[3] Примечание: это не период полураспада ⁴⁰K, а скорее период полураспада, который соответствовал бы константе распада до ⁴⁰Ар. Около 89% ⁴⁰K распадается на ⁴⁰Что.

[Allaby-4] Аллаби, Алиса; Майкл Аллаби (1999). «Радиогенный нагрев» . Словарь наук о Земле . Проверено 24 ноября 2013 г.

[Mutter-5] Муттер, Джон К. «Земля как тепловая машина» . Введение в науки о Земле I. Колумбийский университет . п. 3.2. Мантийная конвекция . Проверено 23 ноября 2013 г.

[Dumé-6] Дюме, Белль (27 июля 2005 г.). «Дебют геонейтрино; Радиогенное тепло на Земле» . Мир физики . Институт физики . Проверено 23 ноября 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]