Первинні нукліди

Відносна кількість хімічних елементів у верхній частині континентальної кори Землі в розрахунку на один атом

Первинні нукліди — нукліди у складі Землі, які існували у своїй сучасній формі ще до утворення Землі. Первинні нукліди були присутні в міжзоряному середовищі, з якого утворилася Сонячна система. Вони виникли в первинному нуклеосинтезі під час Великого вибуху, в зоряному нуклеосинтезі в зорях з подальшим викиданням речовини із зір в міжзоряний простір, сколювання космічними променями і, можливо, в результаті інших процесів. Вони є стабільними нуклідами або достатньо довгоживучими радіонуклідами, щоб прожити від утворення Сонячної системи до сьогодення. Відомо 286 первинних нуклідів: 251 стабільний і 35 радіоактивних з довгим періодом напіврозпаду.

Стабільність

Усі відомі 251 стабільний нуклід, а також ще 35 нуклідів, які мають період напіврозпаду достатньо довгий, щоб вижити з моменту утворення Землі, є первинними нуклідами. Ці 35 первинних нуклідів є радіоактивними ізотопами 28 різних хімічних елементів. Кадмій, неодим, осмій, самарій, телур, уран і ксенон при цьому мають по два первинні радіоізотопи — 113Cd, 116Cd; 128Te, 130Te; 124Xe, 136Xe; 144Nd, 150Nd; 147Sm, 148Sm; 184Os, 186Os; 235U, 238U.

Оскільки вік Землі становить 4,58·109 років (4,6 мільярда років), період напіврозпаду даних нуклідів повинен бути більшим, ніж приблизно 108 років (100 мільйонів років). Наприклад, для нукліда з періодом напіврозпаду 6·107 років (60 мільйонів років), від утворення Землі минуло 77 періодів напіврозпаду, так що з кожного моля (6,02·1023 атомів) цього нукліда, який був присутній при формуванні Землі, досьогодні залишилося лише 6,02·1023/277 = 4 атоми.

Сім експериментально підтверджених первинних нуклідів з найкоротшим періодом напіврозпаду, це 87Rb (5,0·1010 років), 187Re (4,1·1010 років), 176Lu (3,8·1010 років), 232Th (1,4·1010 років), 238U (4,5·109 років), 40K (1,25·109 років) і 235U (7,0·108 років). Ці сім нуклідів мають період напіврозпаду, порівнянний або дещо меншим за вік Всесвіту 13,8 мільярда років. 87Rb, 187Re, 176Lu, 232Th і 238U мають достатньо довгі періоди напіврозпаду, щоб більша їх частина збереглася протягом геологічних масштабів часу. 40K і 235U мають коротший період напіврозпаду і, отже, їхня поширеність вже значно менша за первинну, але значна частина їхньої первинної кількості досі збереглась.

Повний список 35 відомих первинних радіонуклідів наведено нижче.

Найбільш довгоживучий ізотоп, не знайдений як первинний[1] — 146Sm, який має період напіврозпаду 1,03·108 років, наступні — 244Pu (8,08·107 років) і 92Nb (3,5·107 років). Повідомлялося, що 244Pu існує в природі як первинний нуклід[2], але пізніші дослідження не виявили його[3]. Враховуючи, що всі ці нукліди повинні зберегтися принаймні протягом 4,6·109 років від формування Землі, 146Sm мав пережити 45 періодів напіврозпаду (і, отже, його кількість мала зменшитись у 245 ≈ 4·1013 разів), 244Pu — 57 періодів напіврозпаду (зменшення у 257 ≈ 1017 разів), а 92Nb — 130 періодів напіврозпаду (зменшення у 2130 ≈ 1039 разів). Математично, враховуючи ймовірну початкову кількість цих нуклідів, первинні 146Sm і 244Pu повинні зберігатися десь на Землі досьогодні, навіть якщо їх неможливо ідентифікувати експериментально, тоді як 92Nb і всі ще більш короткоживучі нукліди не повинні зберегтись навіть теоретично. Такі нукліди, як 92Nb, які були присутні в первинній сонячній туманності, але вже давно повністю розпалися, називаються вимерлими радіонуклідами, якщо вони не мають інших способів утворення[4].

Природні нукліди, які не є первинними

Деякі нестабільні ізотопи, які зустрічаються в природі (наприклад, 14C, 3H і 239Pu) не є первинними, оскільки вони повинні постійно відновлюватися. Це відбувається через космічне випромінювання (у випадку космогенних нуклідів, таких як 14C і 3H), геоядерну трансмутацію (наприклад, захоплення нейтронів ураном з утворенням 237Np і 239Pu) або радіоактивний розпад довгоживучих радіоактивних первинних нуклідів.

Наприклад, ізотопи радону, полонію та радію є радіогенними дочірніми нуклідами урану та містяться в уранових рудах. Стабільний ізотоп аргону 40Ar насправді більш поширений як радіогенний нуклід, ніж як первинний нуклід, утворюючи майже 1 % земної атмосфери. Він утворюється в результаті бета-розпаду довгоживучого радіоактивного первинного ізотопу 40К, напівперіод життя якого становить понад мільярд років, тому аргон утворюється з самого початку існування Землі. У первинному аргоні домінував створюваний у зоряному альфа-процесі нуклід 36Ar, але тепер на Землі він зустрічається значно рідше, ніж 40Ar. Подібний радіогенний ряд походить і від довгоживучого радіоактивного первинного нукліда 232Th.

Такі нукліди, утворені в результаті розпаду або поділу урану чи інших актиноїдів у гірських породах Землі, називаються геогенними[5]. Усі такі нукліди мають менший період напіврозпаду, ніж їхні вихідні радіоактивні первинні нукліди. Деякі інші геогенні нукліди не зустрічаються в ланцюгах розпаду 232Th, 235U або 238U, але все ще можуть зустрічатися в природі у невеликих кількостях як продукти спонтанного поділу одного з цих трьох довгоживучих нуклідів. Наприклад, 126Sn складає близько 10−14 всього природного олова[6].

Первинні елементи

Оскільки первинні хімічні елементи часто складаються з більш ніж одного первинного ізотопу, існує лише 83 первинні хімічні елементи. З них 80 мають принаймні один стабільний ізотоп, а ще 3 елементи мають лише радіоактивні ізотопи.

80 стабільних первинних елементів — це всі елементи від водню до свинцю (атомні номери від 1 до 82), за винятком технецію (43) і прометію (61). Три радіоактивні первинні елементи — це вісмут (83), торій (90) і уран (92). Період напіврозпаду вісмуту настільки довгий, що його часто класифікують разом із 80 первинними стабільними елементами, оскільки його дуже слабка радіоактивність не викликає практичної небезпеки.

Список первинних елементів наведено нижче. В першій таблиці подано парні елементи, в другій — непарні.

Первинні ізотопи елементів з парними Z (у порядку зменшення поширеності на Землі)
Z
Елемент
Стабільні
[7]
Радіоакт.
[7]
нестабільні курсивом
непарне число нейтронів рожевим
50 олово 10 120Sn 118Sn 116Sn 119Sn 117Sn 124Sn 122Sn 112Sn 114Sn 115Sn
54 ксенон 7 2 132Xe 129Xe 131Xe 134Xe 136Xe 130Xe 128Xe 124Xe 126Xe
48 кадмій 6 2 114Cd 112Cd 111Cd 110Cd 113Cd 116Cd 106Cd 108Cd
52 телур 6 2 130Te 128Te 126Te 125Te 124Te 122Te 123Te 120Te
44 рутеній 7 102Ru 104Ru 101Ru 99Ru 100Ru 96Ru 98Ru
66 диспрозій 7 164Dy 162Dy 163Dy 161Dy 160Dy 158Dy 156Dy
70 ітербій 7 174Yb 172Yb 173Yb 171Yb 176Yb 170Yb 168Yb
80 ртуть 7 202Hg 200Hg 199Hg 201Hg 198Hg 204Hg 196Hg
42 молібден 6 1 98Mo 96Mo 95Mo 92Mo 100Mo 97Mo 94Mo
56 барій 6 1 138Ba 137Ba 136Ba 135Ba 134Ba 132Ba 130Ba
64 гадоліній 6 1 158Gd 160Gd 156Gd 157Gd 155Gd 154Gd 152Gd
60 неодим 5 2 142Nd 144Nd 146Nd 143Nd 145Nd 148Nd 150Nd
62 самарій 5 2 152Sm 154Sm 147Sm 149Sm 148Sm 150Sm 144Sm
76 осмій 5 2 192Os 190Os 189Os 188Os 187Os 186Os 184Os
46 паладій 6 106Pd 108Pd 105Pd 110Pd 104Pd 102Pd
68 ербій 6 166Er 168Er 167Er 170Er 164Er 162Er
20 кальцій 5 1 40Ca 44Ca 42Ca 48Ca 43Ca 46Ca
34 селен 5 1 80Se 78Se 76Se 82Se 77Se 74Se
36 криптон 5 1 84Kr 86Kr 82Kr 83Kr 80Kr 78Kr
72 гафній 5 1 180Hf 178Hf 177Hf 179Hf 176Hf 174Hf
78 платина 5 1 195Pt 194Pt 196Pt 198Pt 192Pt 190Pt
22 титан 5 48Ti 46Ti 47Ti 49Ti 50Ti
28 нікель 5 58Ni 60Ni 62Ni 61Ni 64Ni
30 цинк 5 64Zn 66Zn 68Zn 67Zn 70Zn
32 германій 4 1 74Ge 72Ge 70Ge 73Ge 76Ge
40 цирконій 4 1 90Zr 94Zr 92Zr 91Zr 96Zr
74 вольфрам 4 1 184W 186W 182W 183W 180W
16 сірка 4 32S 34S 33S 36S
24 хром 4 52Cr 53Cr 50Cr 54Cr
26 залізо 4 56Fe 54Fe 57Fe 58Fe
38 стронцій 4 88Sr 86Sr 87Sr 84Sr
58 церій 4 140Ce 142Ce 138Ce 136Ce
82 свинець 4 208Pb 206Pb 207Pb 204Pb
8 кисень 3 16O 18O 17O
10 неон 3 20Ne 22Ne 21Ne
12 магній 3 24Mg 26Mg 25Mg
14 кремній 3 28Si 29Si 30Si
18 аргон 3 40Ar 36Ar 38Ar
2 гелій 2 4He 3He
6 вуглець 2 12C 13C
92 уран 0 2 238U 235U
4 берилій 1 9Be
90 торій 0 1 232Th
Первинні ізотопи елементів з непарними Z
Z
Element
Стабільні Радіоакт.
нестабільні курсивом
непарне число нейтронів рожевим
19 калій 2 1 39K 41K 40K
1 водень 2 1H 2H
3 літій 2 7Li 6Li
5 бор 2 11B 10B
7 азот 2 14N 15N
17 хлор 2 35Cl 37Cl
29 мідь 2 63Cu 65Cu
31 галій 2 69Ga 71Ga
35 бром 2 79Br 81Br
47 срібло 2 107Ag 109Ag
51 сурма 2 121Sb 123Sb
73 тантал 2 181Ta 180Ta
77 іридій 2 193Ir 191Ir
81 талій 2 205Tl 203Tl
23 ванадій 1 1 51V 50V
37 рубідій 1 1 85Rb 87Rb
49 індій 1 1 115In 113In
57 лантан 1 1 139La 138La
63 європій 1 1 153Eu 151Eu
71 лютецій 1 1 175Lu 176Lu
75 реній 1 1 187Re 185Re
9 фтор 1 19F
11 натрій 1 23Na
13 алюміній 1 27Al
15 фосфор 1 31P
21 скандій 1 45Sc
25 марганець 1 55Mn
27 кобальт 1 59Co
33 миш'як 1 75As
39 ітрій 1 89Y
41 ніобій 1 93Nb
45 родій 1 103Rh
53 йод 1 127I
55 цезій 1 133Cs
59 празеодим 1 141Pr
65 тербій 1 159Tb
67 гольмій 1 165Ho
69 тулій 1 169Tm
79 золото 1 197Au
83 вісмут 0 1 209Bi

Стабільні первинні нукліди

Кожен з 251 відомого стабільного ізотопа є одночасно первинним нуклідом. Теоретично багато з них можуть бути нестабільними, але мати настільки великий період напіврозпаду, що їхня нестабільність досі не зареєстрована експериментально.

Наприклад, теоретично передбачається, що всі ізотопи вольфраму, включаючи ті, які навіть найсучасніші емпіричні методи вважають стабільними, мають бути радіоактивними та можуть розпадатися через альфа-випромінювання, але станом на 2013 це вдалося підтвердити експериментально лише для 180W[8]. Також очікується, що всі чотири первинні ізотопи свинцю здатні розпадатися з утворенням ртуті, але прогнозовані періоди напіврозпаду настільки великі (деякі перевищують 10100 років), що такі розпади навряд чи можна буде спостерігати в найближчому майбутньому.

Однак це не є суттєвим для визначення первинності нуклідів, оскільки такі великі періоди напіврозпаду означають, що за вік Землі або навіть вік Всесвіту будь-яка суттєва кількість нукліду все одно не встигла розпастись. Якщо якийсь стабільний нуклід виявиться радіоактивним, він має переміститися зі списку стабільних первинних нуклідів до списку нестабільних первинних нуклідів в наступному розділі, але загальна кількість первинних нуклідів залишиться незмінною.

Стабільні первинні нукліди в таблицях вище показані прямим шрифтом (на відміну від нестабільних, показаних курсивом).

Радіоактивні первинні нукліди

В таблиці нижче представлені 35 первинних радіоактивних нуклідів, які є ізотопами 28 різних хімічних елементів (кадмій, неодим, осмій, самарій, телур, уран і ксенон мають по два первинні радіоізотопи — 113Cd, 116Cd; 128Te, 130Te; 124Xe, 136Xe; 144Nd, 150Nd; 147Sm, 148Sm; 184Os, 186Os; 235U, 238U). Радіонукліди перераховані в порядку зменшення періоду напіврозпаду. В багатьох випадках періоди напіврозпаду настільки великі, що відповідні ізотопи мають поширеність того ж порядку, що й стабільні ізотопи відповідних елементів. Для трьох хімічних елементів (індію, телуру та ренію), дуже довгоживучий радіоактивний первинний нуклід є поширенішим за стабільний нуклід.

Найбільш довгоживучий відомий радіонуклід, 128Te, має період напіврозпаду 2,2·1024 років, що в 160 трильйонів разів перевищує вік Всесвіту. Лише чотири з цих 35 нуклідів мають період напіврозпаду, менший за вік Всесвіту, а більшість мають періоди напіврозпаду набагато довші. Для практичних цілей нукліди з періодом напіврозпаду набагато довшим за вік Всесвіту можна розглядати як стабільні. Період напіврозпаду первинного ізотопу 235U з найкоротшим життям становить 703,8 мільйона років, тобто приблизно одну шосту від віку Землі та Сонячної системи. Багато з цих нуклідів розпадаються шляхом подвійного бета-розпаду, хоча деякі, як-от 209Bi, розпадаються іншими шляхами, такими як альфа-розпад.

У кінці списку додано ще два нукліди: 146Sm і 244Pu. Вони не були підтверджені як первинні, але їхній період напіврозпаду достатньо довгий, щоб мінімальна кількість цих ізотопів могла зберегтись досьогодні.

Номери в першому стовпчику таблиці починаються з 252, враховуючи, що 251 нуклідів вважаються стабільними. Енергія зв'язку порахована відносно нейтрона, тобто як (mnmядра/A)c2.

Нуклід Енергія

зв'язку (МеВ)

Період

напіврозпаду (роки)

Канал

розпаду


Енергія

родпаду (МеВ)

Відношення періоду

напіврозпаду до віку Всесвіту

252 128Te 8,743261 2,2·1024 2,530 160 трильйонів
253 124Xe 8,778264 1,8·1022 KK 2,864 1,3 трильйона
254 78Kr 9,022349 9,2·1021 KK 2,846 670 мільярдів
255 136Xe 8,706805 2,165·1021 2,462 160 мільярдів
256 76Ge 9,034656 1,8·1021 2,039 130 мільярдів
257 130Ba 8,742574 1,2·1021 KK 2,620 87 мільярдів
258 82Se 9,017596 1,1·1020 2,995 8,0 мільярдів
259 116Cd 8,836146 3,102·1019 2,809 2,3 мільярда
260 48Ca 8,992452 2,301·1019 4,274, 0,0058 1,7 мільярда
261 209Bi 8,158689 2,01·1019 α 3,137 1,5 мільярда
262 96Zr 8,961359 2,0·1019 3,4 1,5 мільярда
263 130Te 8,766578 8,806·1018 0,868 640 мільйонів
264 150Nd 8,562594 7,905·1018 3,367 570 мільйонів
265 100Mo 8,933167 7,804·1018 3,035 570 мільйонів
266 151Eu 8,565759 5,004·1018 α 1,9644 360 мільйонів
267 180W 8,347127 1,801·1018 α 2,509 130 мільйонів
268 50V 9,055759 1,4·1017 β+ або β 2,205, 1,038 10 мільйонів
269 174Hf 8,392287 7,0·1016 α 2,497 5 мільйонів
270 113Cd 8,859372 7,7·1015 β 0,321 560 000
271 148Sm 8,607423 7,005·1015 α 1,986 510 000
272 144Nd 8,652947 2,292·1015 α 1,905 170 000
273 186Os 8,302508 2,002·1015 α 2,823 150 000
274 115In 8,849910 4,4·1014 β 0,499 32 000
275 152Gd 8,562868 1,1·1014 α 2,203 8 000
276 184Os 8,311850 1,12·1013 α 2,963 810
277 190Pt 8,267764 6,5·1011 α 3,252 47
278 147Sm 8,610593 1,061·1011 α 2,310 7,7
279 138La 8,698320 1,021·1011 β або K або β+ 1,044,1,737, 1,737 7,4
280 87Rb 9,043718 4,972·1010 β 0,283 3,6
281 187Re 8,291732 4,122·1010 β 0,0026 3,0
282 176Lu 8,374665 3,764·1010 β 1,193 2,7
283 232Th 7,918533 1,405·1010 α або СП 4,083 1,0
284 238U 7,872551 4,468·109 α або СП або 4,270 0,3
285 40K 8,909707 1,251·109 β або K або β+ 1,311, 1,505, 1,505 0,09
286 235U 7,897198 7,038·108 α або СП 4,679 0,05
287 146Sm 8,626136 1,03·108 α 2,529 0,008
288 244Pu 7,826221 8,0·107 α або СП 4,666 0,006

Примітки

  1. Samir Maji та ін. (2006). Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis. Analyst. 131 (12): 1332—1334. Bibcode:2006Ana...131.1332M. doi:10.1039/b608157f. PMID 17124541.
  2. Hoffman, D. C.; Lawrence, F. O.; Mewherter, J. L.; Rourke, F. M. (1971). Detection of Plutonium-244 in Nature. Nature. 234 (5325): 132—134. Bibcode:1971Natur.234..132H. doi:10.1038/234132a0.
  3. Lachner, J. та ін. (2012). Attempt to detect primordial 244Pu on Earth. Physical Review C. 85 (1): 015801. Bibcode:2012PhRvC..85a5801L. doi:10.1103/PhysRevC.85.015801.
  4. P. K. Kuroda (1979). Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature. Accounts of Chemical Research. 12 (2): 73—78. doi:10.1021/ar50134a005.
  5. Clark, Ian (2015). Groundwater geochemistry and isotopes. CRC Press. с. 118. ISBN 9781466591745. Процитовано 13 липня 2020.
  6. H.-T. Shen та ін. Research on measurement of 126Sn by AMS (PDF). accelconf.web.cern.ch. Архів оригіналу (PDF) за 25 листопада 2017. Процитовано 1 січня 2024.
  7. а б Sonzogni, Alejandro. Interactive Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center: Brookhaven National Laboratory. Процитовано 30 серпня 2019.
  8. Interactive Chart of Nuclides (Nudat2.5). National Nuclear Data Center. Процитовано 22 червня 2009.