Космогенный нуклид
Космогенные нуклиды (или космогенные изотопы ) — это редкие нуклиды ( изотопы высокоэнергетических космических лучей ), образующиеся при взаимодействии с ядром находящегося на месте Солнечной системы атома , 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 Земли атмосфере 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 как формирующихся «in situ в Солнечной системе» (то есть внутри уже агрегированной части Солнечной системы) не позволяет первичным нуклидам, образовавшимся в результате расщепления космических лучей до формирования Солнечной системы, быть называются «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, существовали до конденсации Солнечной системы и, таким образом, присутствовали 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 образованием Солнечной системы (поэтому 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] Примером нуклида этого типа является первичный нуклид бериллий-9, единственный стабильный изотоп бериллия.
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 расщепительного нуклеосинтеза 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.
Космогенные нуклиды
[ редактировать ]Вот список радиоизотопов, образовавшихся под действием космических лучей ; список также содержит способ производства изотопа. [4] Большинство космогенных нуклидов образуются в атмосфере, но некоторые образуются in situ в почве и горных породах, подвергающихся воздействию космических лучей, особенно кальций-41 в таблице ниже.
| Изотоп | Способ формирования | период полураспада |
|---|---|---|
| 3 H (тритий) | 14 Н(п, 12 С) Т | 12.3 и |
| 7 Быть | Откол (N и O) | 53,2 дня |
| 10 Быть | Откол (N и O) | 1 387 000 и |
| 11 С | Откол (N и O) | 20,3 мин. |
| 14 С | 14 Н(н,р) 14 С | 5730 и |
| 18 Ф | 18 О (р, п) 18 F и откол (Ar) | 110 мин. |
| 22 Уже | Откол (Ar) | 2,6 и |
| 24 Уже | Откол (Ar) | 15 ч. |
| 28 мг | Откол (Ar) | 20,9 ч. |
| 26 Ал | Откол (Ar) | 717 000 и |
| 31 И | Откол (Ar) | 157 мин. |
| 32 И | Откол (Ar) | 153 и |
| 32 П | Откол (Ar) | 14,3 д. |
| 33 П | Откол (Ar) | 25,3 д. |
| 34 м кл. | Откол (Ar) | 34 мин. |
| 35 С | Откол (Ar) | 87,5 д |
| 36 кл. | 35 Cl (n,γ) 36 кл. | 301 000 и |
| 37 С | 37 Cl (п, п) 37 С | 35 дней |
| 38 кл. | Откол (Ar) | 37 мин. |
| 39 С | 40 Ар(п,2п) 39 С | 269 и |
| 39 кл. | 40 Ар (н, нп) 39 Cl и расщепление (Ar) | 56 мин. |
| 41 С | 40 Ар (н, с) 41 С | 110 мин. |
| 41 Что | 40 (n,γ) 41 Что | 102 000 и |
| 81 НОК | 80 Кр (n,γ) 81 НОК | 229 000 и |
| 129 я | Раскол (Лед) | 15 700 000 и |
Приложения в геологии, перечисленные по изотопам
[ редактировать ]| элемент | масса | период полураспада (лет) | типичное приложение |
|---|---|---|---|
| бериллий | 10 | 1,387,000 | экспозиционное датирование горных пород, почв, ледяных кернов |
| алюминий | 26 | 720,000 | экспозиционное датирование горных пород, отложений |
| хлор | 36 | 308,000 | экспозиционное датирование горных пород, подземных вод трассер |
| кальций | 41 | 103,000 | датирование обнажения карбонатных пород |
| йод | 129 | 15,700,000 | индикатор подземных вод |
| углерод | 14 | 5730 | радиоуглеродное датирование |
| сера | 35 | 0.24 | время пребывания в воде |
| натрий | 22 | 2.6 | время пребывания в воде |
| тритий | 3 | 12.32 | время пребывания в воде |
| аргон | 39 | 269 | индикатор подземных вод |
| криптон | 81 | 229,000 | индикатор подземных вод |
Использование в геохронологии
[ редактировать ]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 материале-хозяине во время образования. 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. Первое включает измерение численности 81 Кр и 39 Ar, тогда как последнее включает измерение содержания 10 Быть, 14 С и 26 Ал.
Когда космические лучи попадают в материю, могут возникнуть три типа реакций космических лучей, которые, в свою очередь, производят измеренные космогенные нуклиды. [6]
- расщепление космических лучей , которое является наиболее распространенной реакцией на поверхности Земли (обычно от 0 до 60 см ниже) Земли и может создавать вторичные частицы, которые могут вызвать дополнительную реакцию при взаимодействии с другими ядрами, называемую каскадом столкновений .
- захват мюонов , который распространен на глубине нескольких метров под поверхностью, поскольку мюоны по своей природе менее реактивны; в некоторых случаях мюоны высоких энергий могут достигать больших глубин [7]
- захват нейтронов , которые из-за низкой энергии нейтрона захватываются ядром, чаще всего водой, [ нужны разъяснения ] но этот процесс сильно зависит от снега, влажности почвы и концентрации микроэлементов.
Поправки к потокам космических лучей
[ редактировать ]Поскольку Земля имеет выпуклость 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 с высотой, 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] Напряженность 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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 13–15. ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ «Бериллий | Свойства, использование и факты | Британника» . www.britanica.com . 17 сентября 2023 г. Проверено 19 октября 2023 г.
- ^ Сапфир Лалли (24 июля 2021 г.). «Как делается золото? Загадочное космическое происхождение тяжелых элементов» . Новый учёный .
- ^ SCOPE 50 - Радиоэкология после Чернобыля. Архивировано 13 мая 2014 г. в Wayback Machine , Научный комитет по проблемам окружающей среды (SCOPE), 1993. См. таблицу 1.9 в разделе 1.4.5.2.
- ^ Шефер, Йорг М.; Кодилян, Александру Т.; Уилленбринг, Джейн К.; Лу, Чжэн-Тянь; Кейслинг, Бенджамин; Фюлеп, Река-Х.; Вал, Педро (10 марта 2022 г.). «Космогенные нуклидные методы» . Учебники по методам Nature Reviews . 2 (1): 1–22. дои : 10.1038/s43586-022-00096-9 . ISSN 2662-8449 . S2CID 247396585 .
- ^ Лал, Д.; Питерс, Б. (1967). «Космические лучи произвели радиоактивность на Земле». Космическое излучение II / Космические лучи II . Handbuch der Physik / Энциклопедия физики. Том. 9/46/2. С. 551–612. дои : 10.1007/978-3-642-46079-1_7 . ISBN 978-3-642-46081-4 .
- ^ Хейзингер, Б.; Лал, Д.; Джул, AJT; Кубик, П.; Айви-Окс, С.; Кни, К.; Нолте, Э. (30 июня 2002 г.). «Производство избранных космогенных радионуклидов мюонами: 2. Захват отрицательных мюонов». Письма о Земле и планетологии . 200 (3): 357–369. Бибкод : 2002E&PSL.200..357H . дои : 10.1016/S0012-821X(02)00641-6 .
- ^ Данн, Джефф; Элмор, Дэвид; Музикар, Пол (1 февраля 1999 г.). «Масштабирующие коэффициенты скорости производства космогенных нуклидов для геометрической защиты и ослабления на глубине на наклонных поверхностях». Геоморфология . 27 (1): 3–11. Бибкод : 1999Geomo..27....3D . дои : 10.1016/S0169-555X(98)00086-5 .