Первичный нуклид
| Ядерная физика |
|---|
 |
В геохимии , геофизике и ядерной физике первичные нуклиды , также известные как первичные изотопы , представляют нуклиды собой 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 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 часть радионуклидов, сохранившаяся в первичной солнечной туманности за счет аккреции планет до настоящего времени; Известно 286 таких нуклидов.
Стабильность
[ редактировать ]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
компакт-диск
, 116
компакт-диск
; 128
Te
, 130
Te
; 124
Машина
, 136
Машина
; 144
Нд
, 150
Нд
; 147
см
, 148
см
; 184
Ты
, 186
Ты
; и 235
В
, 238
В
).
Потому что возраст Земли равен 4,58 × 10 9 лет (4,6 млрд лет), период полураспада данных нуклидов должен быть больше примерно 10 8 лет (100 миллионов лет) из практических соображений. Например, для нуклида с периодом полураспада 6 × 10 7 лет (60 миллионов лет), это означает, что прошло 77 периодов полураспада, а это означает, что для каждого моля ( 6,02 × 10 23 атомы ) этого нуклида, присутствовавшего 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, являются 87
руб.
( 5.0 × 10 10 годы ), 187
Ре
( 4.1 × 10 10 годы ), 176
Лу
( 3.8 × 10 10 годы ), 232
че
( 1.4 × 10 10 годы ), 238
В
( 4.5 × 10 9 годы ), 40
К
( 1.25 × 10 9 лет ), и 235
В
( 7.0 × 10 8 годы ).
Это семь нуклидов с периодом полураспада, сопоставимым или несколько меньшим предполагаемого возраста Вселенной . ( 87 Рб, 187 Ре, 176 Лу, и 232 Их период полураспада несколько превышает возраст Вселенной.) Полный список из 35 известных первичных радионуклидов, включая следующие 28, период полураспада которых намного превышает возраст Вселенной, см. в полном списке ниже. Для практических целей нуклиды, период полураспада которых намного превышает возраст Вселенной, можно рассматривать как стабильные. 87 Рб, 187 Ре, 176 Лу, 232 эт, и 238 У вас достаточно длительный период полураспада, поэтому их распад ограничен геологическими временными масштабами; 40 К и 235 У них более короткий период полураспада и, следовательно, они сильно истощены, но они все еще достаточно долгоживущие, чтобы значительно сохраняться в природе.
Самый долгоживущий изотоп, первобытность которого не доказана [1] является 146
см
, период полураспада которого составляет 1,03 × 10 8 лет , а затем 244
Мог
( 8.08 × 10 7 лет ) и 92
Нб
( 3.5 × 10 7 годы ). 244 Сообщалось, что Pu существует в природе в виде первичного нуклида в 1971 году. [2] но это обнаружение не могло быть подтверждено дальнейшими исследованиями в 2012 и 2022 годах. [3] [4]
Учитывая, что все эти нуклиды должны существовать не менее 4,6 × 10 9 годы , 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 раза) 57 ≈ 1 × 10 17 ), и 92 Nb должен пережить 130 (и уменьшиться на 2 130 ≈ 1 × 10 39 ). Математически, учитывая вероятное начальное содержание этих нуклидов, первичные 146 См и 244 Сегодня Pu должен сохраняться где-то в пределах Земли, даже если его невозможно идентифицировать в относительно небольшой части земной коры, доступной для человеческого анализа. 92 Nb и все короткоживущие нуклиды не должны. Нуклиды, такие как 92 Nb, который присутствовал в первичной солнечной туманности, но уже давно полностью распался, называется вымершими радионуклидами , если у него нет других способов регенерации. [5] Что касается 244 Расчеты показывают, что по состоянию на 2022 год пределы чувствительности были примерно на один порядок ниже, чем при обнаружении его как первичного нуклида. [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
[ редактировать ]Некоторые нестабильные изотопы, встречающиеся в природе (например, 14
С
, 3
ЧАС
, и 239
Мог
) не являются первичными, так как их необходимо постоянно регенерировать. Это происходит за счет космического излучения (в случае космогенных нуклидов, таких как 14
С
и 3
ЧАС
), или (редко) такими процессами, как геоядерная трансмутация ( нейтронный захват урана в случае 237
Например
и 239
Мог
). 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 аргона изотоп 40 На самом деле Ar 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 K , период полураспада которого составляет порядка миллиарда лет, и поэтому он генерирует аргон с самого начала существования Земли. (В первозданном аргоне преобладал альфа-процесса . нуклид 36 Ar, который встречается значительно реже, чем 40 Ар на Земле.)
Аналогичный радиогенный ряд получен из долгоживущего радиоактивного первичного нуклида. 232 Че . 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 короткий период полураспада, чем их родительские радиоактивные первичные нуклиды. Некоторые другие геогенные нуклиды не встречаются в распада цепочках 232 эт, 235 У, или 238 U, но все же может кратковременно возникать в природе как продукты спонтанного деления одного из этих трех долгоживущих нуклидов, таких как 126 Sn , что составляет около 10 −14 всего натурального олова . [7] Другой, 99 Tc также был обнаружен. [8] Известны еще пять долгоживущих продуктов деления .
Первичные элементы
[ редактировать ]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 изначальный элемент, хотя практически его все равно будет удобнее производить синтетически. Период полураспада висмута настолько велик, что вместо этого 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
[ редактировать ]Как отмечается, их 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. 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
[ редактировать ]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 самыми современными эмпирическими методами считаются стабильными, должны быть радиоактивными и могут распадаться путем альфа-излучения , но по состоянию на 2013 год [update] это можно было измерить только экспериментально 180
В
. [9] Точно так же ожидается, что все четыре первичных изотопа свинца распадутся до ртути , но прогнозируемые периоды полураспада очень 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 ссылка ]
Список 35 первичных радиоактивных нуклидов и измеренные периоды полураспада
[ редактировать ]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 полураспада 2,2 × 10. 24 лет , что в 160 триллионов раз превышает возраст 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 Би-распад другими методами, такими как альфа-распад .
В конце списка добавлены еще два нуклида: 146 См и 244 Пу. Их первобытность не подтверждена, но период их полураспада достаточно велик, поэтому незначительные количества должны сохраняться и сегодня.
| Нет. | Нуклид | Энергия | Половина- жизнь (годы) | Разлагаться режим | Энергия распада (МэВ) | Прибл. соотношение период полураспада до возраст вселенной |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 252 | 128 Te | 8.743261 | 2.2 × 10 24 | 2 б − | 2.530 | 160 триллионов |
| 253 | 124 Машина | 8.778264 | 1.8 × 10 22 | КК | 2.864 | 1,3 триллиона |
| 254 | 78 НОК | 9.022349 | 9.2 × 10 21 | КК | 2.846 | 670 миллиардов |
| 255 | 136 Машина | 8.706805 | 2.165 × 10 21 | 2 б − | 2.462 | 160 миллиардов |
| 256 | 76 Ге | 9.034656 | 1.8 × 10 21 | 2 б − | 2.039 | 130 миллиардов |
| 257 | 130 Нет | 8.742574 | 1.2 × 10 21 | КК | 2.620 | 87 миллиардов |
| 258 | 82 Се | 9.017596 | 1.1 × 10 20 | 2 б − | 2.995 | 8,0 миллиардов |
| 259 | 116 компакт-диск | 8.836146 | 3.102 × 10 19 | 2 б − | 2.809 | 2,3 миллиарда |
| 260 | 48 Что | 8.992452 | 2.301 × 10 19 | 2 б − | 4.274, .0058 | 1,7 миллиарда |
| 261 | 209 С | 8.158689 | 2.01 × 10 19 | а | 3.137 | 1,5 миллиарда |
| 262 | 96 Зр | 8.961359 | 2.0 × 10 19 | 2 б − | 3.4 | 1,5 миллиарда |
| 263 | 130 Te | 8.766578 | 8.806 × 10 18 | 2 б − | .868 | 640 миллионов |
| 264 | 150 Нд | 8.562594 | 7.905 × 10 18 | 2 б − | 3.367 | 570 миллионов |
| 265 | 100 Мо | 8.933167 | 7.804 × 10 18 | 2 б − | 3.035 | 570 миллионов |
| 266 | 151 Евросоюз | 8.565759 | 5.004 × 10 18 | а | 1.9644 | 360 миллионов |
| 267 | 180 В | 8.347127 | 1.801 × 10 18 | а | 2.509 | 130 миллионов |
| 268 | 50 V | 9.055759 | 1.4 × 10 17 | б + или β − | 2.205, 1.038 | 10 миллионов |
| 269 | 174 хф | 8.392287 | 7.0 × 10 16 | а | 2.497 | 5 миллионов |
| 270 | 113 компакт-диск | 8.859372 | 7.7 × 10 15 | б − | .321 | 560,000 |
| 271 | 148 см | 8.607423 | 7.005 × 10 15 | а | 1.986 | 510,000 |
| 272 | 144 Нд | 8.652947 | 2.292 × 10 15 | а | 1.905 | 170,000 |
| 273 | 186 Ты | 8.302508 | 2.002 × 10 15 | а | 2.823 | 150,000 |
| 274 | 115 В | 8.849910 | 4.4 × 10 14 | б − | .499 | 32,000 |
| 275 | 152 Б-г | 8.562868 | 1.1 × 10 14 | а | 2.203 | 8000 |
| 276 | 184 Ты | 8.311850 | 1.12 × 10 13 | а | 2.963 | 810 |
| 277 | 190 Пт | 8.267764 | 4.83 × 10 11 [10] | а | 3.252 | 35 |
| 278 | 147 см | 8.610593 | 1.061 × 10 11 | а | 2.310 | 7.7 |
| 279 | 138 La | 8.698320 | 1.021 × 10 11 | б − или K или β + | 1.044, 1.737, 1.737 | 7.4 |
| 280 | 87 руб. | 9.043718 | 4.972 × 10 10 | б − | .283 | 3.6 |
| 281 | 187 Ре | 8.291732 | 4.122 × 10 10 | б − | .0026 | 3.0 |
| 282 | 176 Лу | 8.374665 | 3.764 × 10 10 | б − | 1.193 | 2.7 |
| 283 | 232 че | 7.918533 | 1.405 × 10 10 | α или СФ | 4.083 | 1.0 |
| 284 | 238 В | 7.872551 | 4.468 × 10 9 | α или SF или 2 β − | 4.270 | 0.3 |
| 285 | 40 К | 8.909707 | 1.251 × 10 9 | б − или K или β + | 1.311, 1.505, 1.505 | 0.09 |
| 286 | 235 В | 7.897198 | 7.038 × 10 8 | α или СФ | 4.679 | 0.05 |
| 287 | 146 см | 8.626136 | 1.03 × 10 8 | а | 2.529 | 0.008 |
| 288 | 244 Мог | 7.826221 | 8.0 × 10 7 | α или СФ | 4.666 | 0.006 |
Список легенд
[ редактировать ]- № (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 /с. 2 , формально: m n − m нуклид / A .
- Период полураспада
- Все время указано в годах.
- затухания Режим
а α-распад б − б − разлагаться К захват электрона КК двойной захват электрона б + б + разлагаться Сан-Франциско спонтанное деление 2 б − двойной б − разлагаться 2 б + двойной б + разлагаться я изомерный переход п эмиссия протонов н эмиссия нейтронов - Энергия распада
- Множественные значения (максимальной) энергии распада в МэВ сопоставлены с модами распада в их порядке.
См. также
[ редактировать ]- Альфа-нуклид
- Таблица нуклидов, отсортированных по периоду полураспада
- Таблица нуклидов
- Изотопная геохимия
- Радионуклид
- Мононуклидный элемент
- Моноизотопный элемент
- Стабильный изотоп
- Список нуклидов
- Список элементов по стабильности изотопов
- Нуклеосинтез Большого Взрыва
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Самир Маджи; и др. (2006). «Разделение самария и неодима: необходимое условие для получения сигналов ядерного синтеза». Аналитик . 131 (12): 1332–1334. Бибкод : 2006Ана...131.1332М . дои : 10.1039/b608157f . ПМИД 17124541 .
- ^ Хоффман, округ Колумбия; Лоуренс, ФО; Мьюхертер, Дж.Л.; Рурк, FM (1971). «Обнаружение плутония-244 в природе». Природа . 234 (5325): 132–134. Бибкод : 1971Natur.234..132H . дои : 10.1038/234132a0 . S2CID 4283169 .
- ^ Лакнер, Дж.; и др. (2012). «Попытка обнаружить первобытное 244 Pu на Земле». Physical Review C. 85 ( 1): 015801. Bibcode : 2012PhRvC..85a5801L . doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801 .
- ^ Перейти обратно: а б Ву, Ян; Син, Шан; Кристл, Маркус; Хоу, Шаочунь (2022) . 244 Пу в бастнезите Баян Обо» . Китайские химические письма . 33 (7): 3522–3526. doi : 10.1016/j.cclet.2022.03.036 . Проверено 29 января 2024 г.
- ^ ПК Курода (1979). «Происхождение элементов: дофермиевский реактор и плутоний-244 в природе». Отчеты о химических исследованиях . 12 (2): 73–78. дои : 10.1021/ar50134a005 .
- ^ Кларк, Ян (2015). Геохимия и изотопы подземных вод . ЦРК Пресс. п. 118. ИСБН 9781466591745 . Проверено 13 июля 2020 г.
- ^ Х.-Т. Шен; и др. «Исследования по измерению 126 Sn by AMS» (PDF) . Accelconf.web.cern.ch . Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2017 г. Проверено 06 февраля 2018 г.
- ^ 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 , дои : 10.1016/S0016-7037(98)00282-8
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Интерактивная карта нуклидов (Нудат2.5)» . Национальный центр ядерных данных . Проверено 22 июня 2009 г.
- ^ 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 .