Космогенні нукліди

Космогенні нукліди — рідкісні нукліди, які утворюються, коли космічні промені високих енергій вступають в ядерні реакції з атомними ядрами інших елементів. Космогенні нукліди утворюються на Землі в гірських породах, ґрунті, атмосфері, а також на інших космічних тілах - планетах, метеороїдах, космічному пилу. Вимірюючи вміст космогенних нуклідів, можна отримати уявлення про низку геологічних і астрономічних процесів. Існують як радіоактивні, так і стабільні космогенні нукліди. Ті ядра, які, на відміну від космогенних нуклідів походять ще з часів до утворення Землі, називають первинними нуклідами.

Термінологія

Періодична система елементів, в якій кольором показано переважне походження кожного елемента. X-процес показаний червоним.

Зрештою, всі нукліди у Всесвіті мають космічне походження й утворились або одразу після Великого вибуху (первинний нуклеосинтез), або у зорях (зоряний нуклеосинтез), або під дією космічних променів (X-процес). Однак космогенними називають лише ті земні нукліди, які виникли під впливом космічних факторів виключно після утворення Землі. Якщо нуклід частково був створений космічними променями після утворення Землі, але частково зберігся з матеріалу первинної протопланетної туманності, то він вважається первинним. Таким чином, слова "первинний" і "космогенний" по відношенню до нукліду є антонімами, і космогенними виявляються лише ті нукліди, які утворюються під дією космічних променів і мають занадто короткий час життя, щоб зберегтись від моменту утворення Землі.

Наприклад, деякі легкі ядра (ізотопи літію, берилію та бору) утворилися не лише під час Великого вибуху чи зоряного нуклеосинтезу, а здебільшого результаті сколювання космічними променями атомних ядер міжзоряного газу і пилу, з яких пізніше утворилася Сонячна система. Однак, оскільки ці реакції сколювання проходили до формування Землі, ці нукліди вважаються первинними, а не космогенними[1].

Навпаки, хоча радіоактивні ізотопи берилій-7 і берилій-10 належать до цієї серії з трьох легких елементів (літію, берилію, бору), утворених переважно сколюванням космічними променями, обидва ці нукліди мають надто короткий період напіврозпаду (53 дні і 1,4 мільйона років відповідно), щоб зберегтись протягом 4,57 мільярда років, які пройшли від утворення Сонячної системи. Оскільки нещодавнє сколювання космічними променями є єдиним можливим джерелом природної появи берилію-7 та берилію-10 у навколишньому середовищі, вони є космогенними.

Механізми утворення

Космогенні нукліди можуть утворюватись під дією космічних променів у ході кількох різних ядерних реакцій[2].

• сколювання космічними променями (або X-процес) є найпоширенішою реакцією в приповерхневому шарі Землі (зазвичай від 0 до 60 см під поверхнею) і може створювати вторинні частинки, які можуть викликати додаткові реакції при взаємодії з іншими ядрами, що називається каскадом зіткнень.
• захоплення мюонів, які мають вищу проникну здатність і проходять на глибини кількох метрів під поверхнею[3].
• захоплення нейтронів відбувається на глибинах, які можуть сильно залежати від наявності снігу і вологості ґрунту, оскільки нейтрони добре поглинаються водою.

Інтенсивність утворення космогенних ізотопів у даному місці залежить від багатьох факторів. Висота місцевості над рівнем моря впливає на екранування космічних променів атмосферою Землі. Товщина атмосфери також залежить від широти. Навіть зміна нахилу землі може вплинути на те, як космічні промені зможуть проникати під поверхню[4]. Напруженість магнітного поля Землі, яка змінюється з часом, впливає на потік космічних променів, хоча деякі моделі не враховують цей фактор, усереднюючи варіації напруженості магнітного поля за тривалий геологічний час

Список космогенних нуклідів

Нижче наведено список радіоізотопів, що утворюються під дією космічних променів. Список також містить механізм утворення ізотопу. Більшість космогенних нуклідів утворюється в атмосфері, але деякі утворюються на поверхні Землі під впливом космічних променів.

Ізотопи, що утворюються під дією космічних променів

Ізотоп	Спосіб утворення	Напіврозпад
^3H	^14N(n,^12C)^3H	12.3 р
^7Be	Сколювання (N і O)	53,2 д
^10Be	Сколювання (N і O)	1 387 000 р
^11С	Сколювання (N і O)	20,3 хв
^14С	^14N(n,p)^14C	5730 р
^18F	^18O(p,n)^18F і сколювання (Ar)	110 хв
^22Na	Сколювання (Ar)	2,6 р
^24Na	Сколювання (Ar)	15 год
^28Mg	Сколювання (Ar)	20.9 год
^26Al	Сколювання (Ar)	717 000 р
^31Si	Сколювання (Ar)	157 хв
^32Si	Сколювання (Ar)	153 р
^32P	Сколювання (Ar)	14,3 д
^33P	Сколювання (Ar)	25,3 д
^34mCl	Сколювання (Ar)	34 хв
^35S	Сколювання (Ar)	87,5 д
^36Cl	^35Cl(n,γ)^36Cl	301 000 р
^37Ar	^37Cl(p,n)^37Ar	35 д
^38Cl	Сколювання (Ar)	37 хв
^39Ar	^40Ar(n,2n)^39Ar	269 р
^39Cl	^40Ar(n,np)^39Cl і сколювання (Ar)	56 хв
^41Ar	^40Ar(n,γ)^41 Ar	110 хв
^41Ca	^40Ca(n,γ)^41Ca	102 000 р
^81Kr	^80Kr(n,γ)^81Kr	229 000 р
^129I	Сколювання (Xe)	15 700 000 р

Застосування окремих ізотопів в геології

Існує широкий спектр корисних космогенних нуклідів, які вимірюють в ґрунті, каменях, підземних водах та атмосфері, щоб визначити важливу геологічну інформацію[5].

Часто досліджувані довгоживучі космогенні ізотопи

Елемент	Маса	Період напіврозпаду (роки)	Типове застосування
берилій	10	1 387 000	час експозиції гірських порід, ґрунтів, кернів льоду
алюміній	26	720 000	час експозиції гірських порід і відкладень
хлор	36	308 000	час експозиції гірських порід, індикатор підземних вод
кальцій	41	103 000	час експозиції карбонатних порід
йод	129	15 700 000	індикатор підземних вод
вуглець	14	5730	радіовуглецеве датування
сірка	35	0,24	час наявності води
натрію	22	2.6	час наявності води
тритій	3	12.32	час наявності води
аргон	39	269	індикатор підземних вод
криптон	81	229 000	індикатор підземних вод

Примітки

1. Sapphire Lally (24 липня 2021). How is gold made? The mysterious cosmic origins of heavy elements. New Scientist.
2. Lal, D.; Peters, B. (1967). Cosmic Ray Produced Radioactivity on the Earth. Kosmische Strahlung II / Cosmic Rays II. Handbuch der Physik / Encyclopedia of Physics. Т. 9 / 46 / 2. с. 551—612. doi:10.1007/978-3-642-46079-1_7. ISBN 978-3-642-46081-4.
3. Heisinger, B.; Lal, D.; Jull, A. J. T.; Kubik, P.; Ivy-Ochs, S.; Knie, K.; Nolte, E. (30 червня 2002). Production of selected cosmogenic radionuclides by muons: 2. Capture of negative muons. Earth and Planetary Science Letters. 200 (3): 357—369. Bibcode:2002E&PSL.200..357H. doi:10.1016/S0012-821X(02)00641-6.
4. Dunne, Jeff; Elmore, David; Muzikar, Paul (1 лютого 1999). Scaling factors for the rates of production of cosmogenic nuclides for geometric shielding and attenuation at depth on sloped surfaces. Geomorphology. 27 (1): 3—11. Bibcode:1999Geomo..27....3D. doi:10.1016/S0169-555X(98)00086-5.
5. Schaefer, Joerg M.; Codilean, Alexandru T.; Willenbring, Jane K.; Lu, Zheng-Tian; Keisling, Benjamin; Fülöp, Réka-H.; Val, Pedro (10 березня 2022). Cosmogenic nuclide techniques. Nature Reviews Methods Primers (англ.). 2 (1): 1—22. doi:10.1038/s43586-022-00096-9. ISSN 2662-8449.