Первинні нукліди

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.

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

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

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. 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.