Радиогенный нуклид

Нуклид, полученный путем радиоактивного преобразования другого нуклида

Радиогенный нуклид — это нуклид , который образуется в процессе радиоактивного распада . Он сам по себе может быть радиоактивным ( радионуклид ) или стабильным ( стабильный нуклид ).

Радиогенные нуклиды (чаще называемые радиогенными изотопами ) образуют некоторые из важнейших инструментов в геологии. Они используются двумя основными способами:

По сравнению с количеством радиоактивного «родительского изотопа» в системе, количество радиогенного «дочернего продукта» используется в качестве инструмента радиометрического датирования (например, уран-свинцовая геохронология ).
В сравнении с количеством нерадиогенного изотопа того же элемента, количество радиогенного изотопа используется для определения его изотопной сигнатуры (например, ²⁰⁶ Pb/ ²⁰⁴ Pb). Эта методика обсуждается более подробно в разделе изотопная геохимия .

Примеры

Некоторые встречающиеся в природе изотопы полностью радиогенны, но все они являются радиоактивными изотопами, периоды полураспада которых слишком коротки, чтобы они могли возникнуть изначально и существовать сегодня. Таким образом, они присутствуют только как радиогенные дочерние продукты либо текущих процессов распада, либо космогенных (вызванных космическими лучами) процессов, которые производят их в природе в свежем виде. Несколько других естественным образом производятся нуклеогенными процессами (естественными ядерными реакциями других типов, такими как поглощение нейтронов).

Для радиогенных изотопов, которые распадаются достаточно медленно, или которые являются стабильными изотопами , первичная фракция всегда присутствует, поскольку все достаточно долгоживущие и стабильные изотопы фактически встречаются в природе изначально. Дополнительная фракция некоторых из этих изотопов может также встречаться радиогенно.

Свинец , возможно, является лучшим примером частично радиогенного вещества, поскольку все четыре его стабильных изотопа ( ²⁰⁴ Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷ Pb и ²⁰⁸ Pb) присутствуют изначально в известных и фиксированных соотношениях. Однако ²⁰⁴ Pb присутствует только изначально, в то время как остальные три изотопа могут также встречаться в качестве радиогенных продуктов распада урана и тория . В частности, ²⁰⁶ Pb образуется из ²³⁸ U, ²⁰⁷ Pb из ²³⁵ U и ²⁰⁸ Pb из ²³² Th. В породах, содержащих уран и торий, избыточное количество трех более тяжелых изотопов свинца позволяет «датировать» породы, тем самым предоставляя оценку времени, когда порода затвердела, а минерал удерживал соотношение изотопов фиксированным и на месте.

Другим заметным радиогенным нуклидом является аргон -40, образованный из радиоактивного калия . Почти весь аргон в атмосфере Земли является радиогенным, тогда как первичный аргон — это аргон-36.

Часть азота -14 является радиогенной и образуется при распаде углерода-14 (период полураспада около 5700 лет), однако углерод-14 образовался некоторое время назад из азота-14 под воздействием космических лучей.

Другие важные примеры радиогенных элементов — радон и гелий , оба из которых образуются при распаде более тяжелых элементов в горных породах. Радон полностью радиогенен, так как у него слишком короткий период полураспада, чтобы возникнуть изначально. Гелий, однако, изначально встречается в земной коре, так как и гелий-3 , и гелий-4 стабильны, и небольшие количества были захвачены земной корой по мере ее формирования. Гелий-3 почти полностью первичен (небольшое количество образуется в результате естественных ядерных реакций в земной коре). Гелий-3 также может быть получен как продукт распада трития ( ³ H), который является продуктом некоторых ядерных реакций, включая тройное деление . Глобальный запас гелия (который встречается как в газовых скважинах, так и в атмосфере) в основном (примерно на 90–99%) радиогенный, о чем свидетельствует его обогащение в 10–100 раз радиогенным гелием-4 относительно изначального соотношения гелия-4 и гелия-3. Это последнее соотношение известно из внеземных источников, таких как некоторые лунные породы и метеориты, которые относительно свободны от родительских источников гелия-3 и гелия-4.

Как было отмечено в случае свинца-204, радиогенный нуклид часто не является радиоактивным. В этом случае, если его предшественник имеет период полураспада, слишком короткий, чтобы сохраниться с первобытных времен, то родительский нуклид исчезнет, и теперь он известен исключительно по относительному избытку своего стабильного дочернего элемента. На практике это происходит со всеми радионуклидами с периодом полураспада менее 50–100 миллионов лет. Такие нуклиды образуются в сверхновых , но известны как вымершие радионуклиды , поскольку сегодня они не наблюдаются непосредственно на Земле.

Примером вымершего радионуклида является йод-129 ; он распадается до ксенона-129, стабильного изотопа ксенона, который появляется в избытке относительно других изотопов ксенона. Он обнаружен в метеоритах, которые конденсировались из первичного пылевого облака Солнечной системы и захватили первичный йод-129 (период полураспада 15,7 миллионов лет) когда-то в относительно короткий период (вероятно, менее 20 миллионов лет) между созданием йода-129 в сверхновой и образованием Солнечной системы путем конденсации этой пыли. Захваченный йод-129 теперь появляется как относительный избыток ксенона-129. Йод-129 был первым вымершим радионуклидом, который был выведен в 1960 году. Другие - алюминий-26 (также выведенный из дополнительного магния-26, обнаруженного в метеоритах) и железо-60.

Радиогенные нуклиды, используемые в геологии

В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее важных радиогенных изотопных систем, используемых в геологии, в порядке уменьшения периода полураспада радиоактивного родительского изотопа. Значения, указанные для периода полураспада и константы распада, являются текущими консенсусными значениями в сообществе Isotope Geology. ^[1]

** указывает на конечный продукт распада ряда.

Единицы, используемые в этой таблице:
Gyr = гигагод = 10 ⁹ лет
Myr = мегагод = 10 ⁶ лет
kyr = килогод = 10 ³ лет

Родительский нуклид	Дочерний нуклид	Константа распада (год ⁻¹ )	Период полураспада
¹⁹⁰ Пт	¹⁸⁶ Ос	1,477 ×10 ⁻¹²	483 млрд лет назад ^[2]
¹⁴⁷ см	¹⁴³ Нд	6,54 ×10 ⁻¹²	106 Гр.
⁸⁷ руб.	⁸⁷ Ср	1,402 ×10 ⁻¹¹	49,44 млрд лет
¹⁸⁷ Ре	¹⁸⁷ Ос	1,666 ×10 ⁻¹¹	41,6 млрд лет
¹⁷⁶ Лу	¹⁷⁶ КВ	1,867 ×10 ⁻¹¹	37,1 млрд лет
²³² Тысяча	²⁰⁸ Пб**	4,9475 ×10 ⁻¹¹	14.01 млрд лет
⁴⁰ К	⁴⁰ Ар	5,81 ×10 ⁻¹¹	11,93 млрд лет ^[3]
²³⁸ У	²⁰⁶ Пб**	1,55125 ×10 ⁻¹⁰	4.468 млрд лет
⁴⁰ К	⁴⁰ Са	4,962 ×10 ⁻¹⁰	1.397 млрд лет
²³⁵ У	²⁰⁷ Pb**	9,8485 ×10 ⁻¹⁰	0,7038 млрд лет
¹²⁹ Я	¹²⁹ Хе	4,3 ×10 ⁻⁸	16 млн. лет
¹⁰ Бе	¹⁰ Б	4,6 ×10 ⁻⁷	1,5 млн лет
²⁶ Ал	²⁶ Мг	9,9 ×10 ⁻⁷	0,70 млн лет
³⁶ Кл	³⁶ Ar (98%) ³⁶ S (2%)	2,24 ×10 ⁻⁶	310 тыс. рупий
²³⁴ У	²³⁰ Тыс	2,826 ×10 ⁻⁶	245.25 тыс. лет
²³⁰ Тыс	²²⁶ Ра	9,1577 ×10 ⁻⁶	75,69 тыс. лет
²³¹ Па	²²⁷ Ас	2,116 ×10 ⁻⁵	32,76 тыс. лет
¹⁴ С	¹⁴ с.ш.	1,2097 ×10 ⁻⁴	5730 год
²²⁶ Ра	²²² Рн	4,33 ×10 ⁻⁴	1600 г.

Радиогенное нагревание

Радиогенный нагрев происходит в результате высвобождения тепловой энергии от радиоактивного распада ^[4] во время производства радиогенных нуклидов. Наряду с теплом от Первичного тепла (в результате планетарной аккреции), радиогенный нагрев, происходящий в мантии и коре , составляет два основных источника тепла в недрах Земли . ^[5] Большая часть радиогенного нагрева в Земле является результатом распада дочерних ядер в цепочках распада урана -238 и тория-232 , а также калия-40 . ^[6]

Смотрите также

Ссылки

^ Дикин, А. П. (2018). Геология радиогенных изотопов . Cambridge University Press. doi : 10.1017/9781316163009.
^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
^ Примечание: это не период полураспада ⁴⁰ K, а период полураспада, который соответствовал бы константе распада для распада до ⁴⁰ Ar. Около 89% ⁴⁰ K распадается до ⁴⁰ Ca.
^ Оллаби, Алиса; Майкл Оллаби (1999). "радиогенное нагревание". Словарь наук о Земле . Получено 24 ноября 2013 г.
^ Mutter, John C. "The Earth as a Heat Engine". Введение в науки о Земле I. Колумбийский университет . стр. 3.2 Конвекция мантии . Получено 23 ноября 2013 г.
^ Дюме, Белль (27 июля 2005 г.). «Geoneutrinos make their debut; Radiogenic heat in the Earth». Physics World . Institute of Physics . Получено 23 ноября 2013 г. .

Внешние ссылки

Национальный центр разработки изотопов Государственные поставки радионуклидов; информация об изотопах; координация и управление производством, доступностью и распределением изотопов.
Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA) Программа Министерства энергетики США по производству изотопов и производственным исследованиям и разработкам

[1] Дикин, А. П. (2018). Геология радиогенных изотопов . Cambridge University Press. doi : 10.1017/9781316163009.

[NUBASE2020-2] Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.

[3] Примечание: это не период полураспада ⁴⁰ K, а период полураспада, который соответствовал бы константе распада для распада до ⁴⁰ Ar. Около 89% ⁴⁰ K распадается до ⁴⁰ Ca.

[Allaby-4] Оллаби, Алиса; Майкл Оллаби (1999). "радиогенное нагревание". Словарь наук о Земле . Получено 24 ноября 2013 г.

[Mutter-5] Mutter, John C. "The Earth as a Heat Engine". Введение в науки о Земле I. Колумбийский университет . стр. 3.2 Конвекция мантии . Получено 23 ноября 2013 г.

[Dumé-6] Дюме, Белль (27 июля 2005 г.). «Geoneutrinos make their debut; Radiogenic heat in the Earth». Physics World . Institute of Physics . Получено 23 ноября 2013 г. .