Первичный нуклид

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 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
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: 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 . ( ⁸⁷Рб, ¹⁸⁷Ре, ¹⁷⁶Лу, и ²³²Их 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. ⁸⁷Рб, ¹⁸⁷Ре, ¹⁷⁶Лу, ²³²эт, и ²³⁸У вас достаточно длительный период полураспада, поэтому их распад ограничен геологическими временными масштабами; ⁴⁰К и ²³⁵У 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 ). ²⁴⁴Сообщалось, 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 , ¹⁴⁶См должен пережить 45 периодов полураспада (и, следовательно, уменьшиться на 2 ⁴⁵ ≈ 4 × 10 ¹³), ²⁴⁴Pu должен пережить 57 (и уменьшиться в 2 раза) ⁵⁷ ≈ 1 × 10 ¹⁷), и ⁹²Nb должен пережить 130 (и уменьшиться на 2 ¹³⁰ ≈ 1 × 10 ³⁹). Математически, учитывая вероятное начальное содержание этих нуклидов, первичные ¹⁴⁶См и ²⁴⁴Pu должен сохраняться где-то в пределах Земли сегодня, даже если его невозможно идентифицировать в относительно небольшой части земной коры, доступной для человеческого анализа. ⁹²Nb и все короткоживущие нуклиды не должны. Нуклиды, такие как ⁹²Nb, который присутствовал в первичной солнечной туманности, но уже давно полностью распался, называется вымершими радионуклидами , если у него нет других способов регенерации. ^{[ 5 ]} Что касается ²⁴⁴Расчеты показывают, что по состоянию на 2022 год пределы чувствительности были примерно на порядок величины 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

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 (реже) 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 ⁴⁰На 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. ⁴⁰K , период полураспада которого составляет порядка миллиарда лет, и поэтому он генерирует аргон с самого начала существования Земли. (В первозданном аргоне преобладал альфа-процесса . нуклид ³⁶Ar, который встречается значительно реже, чем ⁴⁰Ар на Земле.)

Аналогичный радиогенный ряд получен из долгоживущего радиоактивного первичного нуклида. ²³²чё . 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 ²³²эт, ²³⁵У, или ²³⁸U, но все же может кратковременно возникать в природе как продукты спонтанного деления одного из этих трех долгоживущих нуклидов, таких как ¹²⁶Sn , что составляет около 10 ⁻¹⁴ всего натурального олова . ^{[ 7 ]} Другой, ⁹⁹Tc также был обнаружен. ^{[ 8 ]} Известны еще пять долгоживущих продуктов деления .

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 ²⁴⁴Pu), 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 числа 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 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, число 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

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. ¹²⁸Te, 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, ²³⁵U 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, ²⁰⁹Би-распад другими методами, такими как альфа-распад .

В конце списка добавлены еще два нуклида: ¹⁴⁶См и ²⁴⁴Пу. 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	¹²⁸Te	8.743261	2.2 × 10 ²⁴	2 б ⁻	2.530	160 триллионов
253	¹²⁴Машина	8.778264	1.8 × 10 ²²	КК	2.864	1,3 триллиона
254	⁷⁸НОК	9.022349	9.2 × 10 ²¹	КК	2.846	670 миллиардов
255	¹³⁶Машина	8.706805	2.165 × 10 ²¹	2 б ⁻	2.462	160 миллиардов
256	⁷⁶Ге	9.034656	1.8 × 10 ²¹	2 б ⁻	2.039	130 миллиардов
257	¹³⁰Нет	8.742574	1.2 × 10 ²¹	КК	2.620	87 миллиардов
258	⁸²Се	9.017596	1.1 × 10 ²⁰	2 б ⁻	2.995	8,0 миллиардов
259	¹¹⁶компакт-диск	8.836146	3.102 × 10 ¹⁹	2 б ⁻	2.809	2,3 миллиарда
260	⁴⁸Что	8.992452	2.301 × 10 ¹⁹	2 б ⁻	4.274, .0058	1,7 миллиарда
261	²⁰⁹С	8.158689	2.01 × 10 ¹⁹	а	3.137	1,5 миллиарда
262	⁹⁶Зр	8.961359	2.0 × 10 ¹⁹	2 б ⁻	3.4	1,5 миллиарда
263	¹³⁰Te	8.766578	8.806 × 10 ¹⁸	2 б ⁻	.868	640 миллионов
264	¹⁵⁰Нд	8.562594	9.3 × 10 ¹⁸^{[ 10 ]}	2 б ⁻	3.367	671 миллион
265	¹⁰⁰Мо	8.933167	7.07 × 10 ¹⁸^{[ 10 ]}	2 б ⁻	3.035	510 миллионов
266	¹⁵¹Евросоюз	8.565759	4.62 × 10 ¹⁸	а	1.9644	333 миллиона
267	¹⁸⁰В	8.347127	1.801 × 10 ¹⁸	а	2.509	130 миллионов
268	⁵⁰V	9.055759	1.4 × 10 ¹⁷	б ⁺ или β ⁻	2.205, 1.038	10 миллионов
269	¹⁷⁴хф	8.392287	7.0 × 10 ¹⁶	а	2.497	5 миллионов
270	¹¹³компакт-диск	8.859372	7.7 × 10 ¹⁵	б ⁻	.321	560,000
271	¹⁴⁸см	8.607423	7.005 × 10 ¹⁵	а	1.986	510,000
272	¹⁴⁴Нд	8.652947	2.292 × 10 ¹⁵	а	1.905	170,000
273	¹⁸⁶Ты	8.302508	2.002 × 10 ¹⁵	а	2.823	150,000
274	¹¹⁵В	8.849910	4.4 × 10 ¹⁴	б ⁻	.499	32,000
275	¹⁵²Б-г	8.562868	1.1 × 10 ¹⁴	а	2.203	8000
276	¹⁸⁴Ты	8.311850	1.12 × 10 ¹³	а	2.963	810
277	¹⁹⁰Пт	8.267764	4.83 × 10 ¹¹^{[ 10 ]}	а	3.252	35
278	¹⁴⁷см	8.610593	1.061 × 10 ¹¹	а	2.310	7.7
279	¹³⁸La	8.698320	1.021 × 10 ¹¹	б ⁻ или К или β ⁺	1.044, 1.737, 1.737	7.4
280	⁸⁷руб.	9.043718	4.972 × 10 ¹⁰	б ⁻	.283	3.6
281	¹⁸⁷Ре	8.291732	4.122 × 10 ¹⁰	б ⁻	.0026	3.0
282	¹⁷⁶Лу	8.374665	3.764 × 10 ¹⁰	б ⁻	1.193	2.7
283	²³²че	7.918533	1.405 × 10 ¹⁰	α или СФ	4.083	1.0
284	²³⁸В	7.872551	4.468 × 10 ⁹	α или SF или 2 β ⁻	4.270	0.3
285	⁴⁰К	8.909707	1.251 × 10 ⁹	б ⁻ или К или β ⁺	1.311, 1.505, 1.505	0.09
286	²³⁵В	7.897198	7.038 × 10 ⁸	α или СФ	4.679	0.05
287	¹⁴⁶см	8.626136	1.03 × 10 ⁸	а	2.529	0.008
288	²⁴⁴Мог	7.826221	8.0 × 10 ⁷	α или СФ	4.666	0.006

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 /с. ², формально:

m n - m нуклид / A

.

Период полураспада

Все время указано в годах.

затухания Режим

а	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

Ссылки

^ Самир Маджи; и др. (2006). «Разделение самария и неодима: необходимое условие 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 ²⁴⁴Pu на Земле». Physical Review C. 85 ( 1): 015801. Bibcode : 2012PhRvC..85a5801L . doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801 .
^ Jump up to: ^а ^б Ву, Ян; Син, Шан; Кристл, Маркус; Ханс-Арно, Шаочунь (2022) . ²⁴⁴Пу 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 ¹²⁶Sn от 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.
^ Jump up to: ^а ^б ^с 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 .

[Sm146-1] Самир Маджи; и др. (2006). «Разделение самария и неодима: необходимое условие получения сигналов ядерного синтеза». Аналитик . 131 (12): 1332–1334. Бибкод : 2006Ана...131.1332М . дои : 10.1039/b608157f . ПМИД 17124541 .

[PU244-2] 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 .

[PRC-3] Лакнер, Дж.; и др. (2012). «Попытка обнаружить первобытное ²⁴⁴Pu на Земле». Physical Review C. 85 ( 1): 015801. Bibcode : 2012PhRvC..85a5801L . doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801 .

[2022plutonium-4] Jump up to: ^а ^б Ву, Ян; Син, Шан; Кристл, Маркус; Ханс-Арно, Шаочунь (2022) . ²⁴⁴Пу в бастнезите Баян Обо» . Китайские химические письма . 33 (7): 3522–3526. doi : 10.1016/j.cclet.2022.03.036 . Проверено 29 января 2024 г.

[5] ПК Курода (1979). «Происхождение элементов: дофермиевский реактор и плутоний-244 в природе». Отчеты о химических исследованиях . 12 (2): 73–78. дои : 10.1021/ar50134a005 .

[6] Кларк, Ян (2015). Геохимия и изотопы подземных вод . ЦРК Пресс. п. 118. ИСБН 9781466591745 . Проверено 13 июля 2020 г.

[7] Х.-Т. Шен; и др. «Исследования по измерению ¹²⁶Sn от AMS» (PDF) . Accelconf.web.cern.ch . Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2017 г. Проверено 06 февраля 2018 г.

[8] 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 )

[9] «Интерактивная карта нуклидов (Нудат2.5)» . Национальный центр ядерных данных . Проверено 22 июня 2009 г.

[NUBASE2020-10] Jump up to: ^а ^б ^с 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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]