Nuklid kosmogeniczny - Cosmogenic nuclide

Kosmogeniczne nuklidy (lub kosmogeniczne izotopy ) są rzadkie nuklidy ( izotopy ) tworzone podczas dużej energii promieniowania kosmicznego współdziała z jądra od An in situ Solar System atomem , powodując nukleony (protonów i neutronów), aby zostać wydalony z atomem (patrz promieniowania kosmicznego kruszenie ). Te nuklidy są produkowane w materiałach Ziemi, takich jak skały lub gleba , w ziemskiej atmosferze oraz w pozaziemskich obiektach, takich jak meteoroidy . Mierząc nuklidy kosmogeniczne, naukowcy są w stanie uzyskać wgląd w szereg procesów geologicznych i astronomicznych . Istnieją zarówno radioaktywne, jak i stabilne nuklidy kosmogeniczne. Niektóre z tych radionuklidów to tryt , węgiel-14 i fosfor-32 .

Uważa się, że pewne lekkie (o niskiej liczbie atomowej) pierwotne nuklidy (izotopy litu , berylu i boru ) powstały nie tylko podczas Wielkiego Wybuchu , ale także (a może przede wszystkim) po Wielkim Wybuchu, ale przed kondensacja Układu Słonecznego w procesie rozprysku promieniowania kosmicznego na gaz i pył międzygwiazdowy. To wyjaśnia ich większą obfitość w promienie kosmiczne w porównaniu z obfitością na Ziemi. Wyjaśnia to również nadmiar wczesnych metali przejściowych tuż przed żelazem w układzie okresowym — rozpryski promieniowania kosmicznego żelaza wytwarzają z jednej strony skand przez chrom, a z drugiej hel przez bor. Jednak arbitralna definicja określająca, że ​​nuklidy kosmogeniczne powstają „in situ w Układzie Słonecznym” (co oznacza, że ​​wewnątrz już zagregowanego fragmentu Układu Słonecznego) zapobiega powstawaniu pierwotnych nuklidów powstałych w wyniku rozprysku promieni kosmicznych przed uformowaniem się Układu Słonecznego. określane jako „nuklidy kosmogeniczne” – mimo że mechanizm ich powstawania jest dokładnie taki sam. Te same nuklidy wciąż docierają na Ziemię w niewielkich ilościach w promieniowaniu kosmicznym i są formowane w meteoroidach, w atmosferze, na Ziemi "kosmogenicznie". Jednak beryl (cały stabilny beryl-9) występuje pierwotnie w Układzie Słonecznym w znacznie większych ilościach, ponieważ istniał przed kondensacją Układu Słonecznego, a zatem jest obecny w materiałach, z których uformował się Układ Słoneczny.

Aby dokonać rozróżnienia w inny sposób, czas ich powstawania określa, który podzbiór nuklidów wytwarzanych przez spallację promieniowania kosmicznego jest określany jako pierwotny lub kosmogeniczny (nuklid nie może należeć do obu klas). Umownie, pewne izotopy stabilne litu, berylu i boru są uznawane zostały wyprodukowane przez kosmicznego kruszenia ray w okresie między tym Big Bang i powstawania Układu Słonecznego (co czyni te pierwotne nuklidy , z definicji) nie są określane „kosmogeniczne”, mimo że powstały w tym samym procesie co nuklidy kosmogeniczne (choć wcześniej). Przykładem tego typu nuklidu jest pierwotny nuklid beryl-9, jedyny stabilny izotop berylu.

W przeciwieństwie do tego, mimo że radioaktywne izotopy beryl-7 i beryl-10 należą do tej serii trzech lekkich pierwiastków (lit, beryl, bor) utworzonych głównie w wyniku nukleosyntezy spalacji promieni kosmicznych , oba te nuklidy mają zbyt krótkie okresy półtrwania (53 dni). i odpowiednio około 1,4 miliona lat), aby powstały przed uformowaniem się Układu Słonecznego, a zatem nie mogą być pierwotnymi nuklidami. Ponieważ droga rozprzestrzeniania się promieni kosmicznych jest jedynym możliwym źródłem naturalnego występowania berylu-7 i berylu-10 w środowisku, są one kosmogeniczne.

Nuklidy kosmogeniczne

Oto lista radioizotopów powstałych w wyniku działania promieni kosmicznych ; lista zawiera również tryb produkcji izotopu. Większość nuklidów kosmogenicznych powstaje w atmosferze, ale niektóre powstają in situ w glebie i skałach wystawionych na działanie promieni kosmicznych, w szczególności wapnia-41 w tabeli poniżej.

Izotopy powstałe w wyniku działania promieni kosmicznych
Izotop Tryb formacji pół życia
3 H (tryt) 14 N(n,T) 12 C 12,3 lat
7 Be Spalacja (N i O) 53,2 d
10 be Spalacja (N i O) 1,387 000 lat
12 B Spalacja (N i O)
11 stopni Spalacja (N i O) 20,3 min
14 stopni 14 N(n,p) 14 C i 208 Pb(α, 14 C) 198 Pt 5730 lat
18 F 18 O(p,n) 18 F i Spalacja (Ar) 110 minut
22 Na Spalacja (Ar) 2,6 lat
24 Na Spalacja (Ar) 15 godz
27 Mg Spalacja (Ar)
28 Mg Spalacja (Ar) 20,9 godz
26 Al Spalacja (Ar) 717 000 lat
31 Si Spalacja (Ar) 157 min
32 Si Spalacja (Ar) 153 lat
32 godz Spalacja (Ar) 14,3 d
34m Cl Spalacja (Ar) 34 minuty
35 S Spalacja (Ar) 87,5 dnia
36 Cl 35 Cl (n,γ) 36 Cl i spallacja (Ar) 301 000 lat
37 Ar 37 Cl (p,n) 37 Ar 35 dni
38 KLUCZ Spalacja (Ar) 37 minut
39 Ar 40 Ar (n,2n) 39 Ar 269 ​​lat
39 Cl 40 Ar (n,np) 39 Cl 56 minut
41 Ar 40 Ar (n, γ) 41 Ar 110 minut
41 Ca 40 Ca (n,γ) 41 Ca 102 000 lat
45 Ca Spallacja (Fe)
47 Ca Spallacja (Fe)
44 Sc Spallacja (Fe)
46 Sc Spallacja (Fe)
47 Sc Spallacja (Fe)
48 Sc Spallacja (Fe)
44 Ti Spallacja (Fe)
45 Ti Spallacja (Fe)
81 kr 80 Kr (n,γ) 81 Kr 229 000 lat
95 Tc 95 Mo (p,n) 95 Tc
96 Tc 96 Mo (p,n) 96 Tc
97 Tc 97 Mo (p,n) 97 Tc
97m Tc 97 Mo (p,n) 97m Tc
98 Tc 98 Mo (p,n) 98 Tc
99 Tc Spallacja (Xe)
107 Pd Spallacja (Xe)
129 I Spallacja (Xe) 15 700 000 lat
182 Yb Spalacja (Pb)
182 Lu Spalacja (Pb)
183 Łuż Spalacja (Pb)
182 Hf Spalacja (Pb)
183 Hf Spalacja (Pb)
184 Hf Spalacja (Pb)
185 Hf Spalacja (Pb)
186 Hf Spalacja (Pb)
185 W Spalacja (Pb)
187 W Spalacja (Pb)
188 W Spalacja (Pb)
189 W Spalacja (Pb)
190 W Spalacja (Pb)
188 Re Spalacja (Pb)
189 Re Spalacja (Pb)
190 Re Spalacja (Pb)
191 Re Spalacja (Pb)
192 Re Spalacja (Pb)
191 Os Spalacja (Pb)
193 Os Spalacja (Pb)
194 Os Spalacja (Pb)
195 Os Spalacja (Pb)
196 Os Spalacja (Pb)
192 Ir Spalacja (Pb)
194 Ir Spalacja (Pb)
195 Ir Spalacja (Pb)
196 Ir Spalacja (Pb)

Zastosowania w geologii wymienione według izotopów

Powszechnie mierzone długowieczne izotopy kosmogeniczne
element masa okres półtrwania (lata) typowym zastosowaniem
beryl 10 1 387 000 datowanie ekspozycji skał, gleb, rdzeni lodowych
aluminium 26 720 000 datowanie ekspozycji skał, osadów
chlor 36 308 000 datowanie ekspozycji skał, znacznik wód gruntowych
wapń 41 103 000 datowanie ekspozycji skał węglanowych
jod 129 15 700 000 wskaźnik wód gruntowych
węgiel 14 5730 datowanie radiowęglowe
siarka 35 0,24 czasy przebywania w wodzie
sód 22 2,6 czasy przebywania w wodzie
tryt 3 12.32 czasy przebywania w wodzie
argon 39 269 wskaźnik wód gruntowych
krypton 81 229 000 wskaźnik wód gruntowych

Użyj w geochronologii

Jak widać w powyższej tabeli, istnieje szeroka gama użytecznych nuklidów kosmogenicznych, które można zmierzyć w glebie, skałach, wodach gruntowych i atmosferze. Wszystkie te nuklidy mają wspólną cechę nieobecności w materiale żywiciela w czasie formowania. Te nuklidy różnią się chemicznie i dzielą się na dwie kategorie. Interesujące nuklidy to albo gazy szlachetne, które ze względu na ich obojętne zachowanie z natury nie są uwięzione w skrystalizowanym minerale lub mają wystarczająco krótki okres półtrwania, w którym uległy rozkładowi od nukleosyntezy, ale wystarczająco długi okres półtrwania, w którym nagromadziły się mierzalne stężenia . Pierwsza obejmuje pomiary obfitości 81 Kr i 39 Ar, podczas gdy druga obejmuje pomiary obfitości 10 Be, 14 C i 26 Al.

Gdy promieniowanie kosmiczne uderza w materię, mogą wystąpić 3 rodzaje reakcji promieniowania kosmicznego, które z kolei wytwarzają zmierzone nuklidy kosmogeniczne.

  • Spallacja promieniami kosmicznymi, która jest najczęstszą reakcją na powierzchni Ziemi (zazwyczaj 0 do 60 cm poniżej) Ziemi i może tworzyć wtórne cząstki, które mogą powodować dodatkową reakcję po interakcji z innymi jądrami zwaną kaskadą zderzeń .
  • wychwytywanie mionów przenika na głębokościach kilka metrów pod powierzchnią, ponieważ miony są z natury mniej reaktywne, a w niektórych przypadkach z mionami o wysokiej energii mogą osiągnąć większe głębokości
  • wychwytywanie neutronów, które ze względu na niską energię neutronów są wychwytywane w jądrze, najczęściej przez wodę, ale w dużym stopniu zależą od śniegu, wilgotności gleby i stężeń pierwiastków śladowych.

Korekty dla strumieni promieniowania kosmicznego

Ponieważ Ziemia wybrzusza się na równiku iw górach, a głębokie rowy oceaniczne pozwalają na odchylenia o kilka kilometrów w stosunku do jednolicie gładkiej sferoidy, promienie kosmiczne bombardują powierzchnię Ziemi nierównomiernie w zależności od szerokości i wysokości. W związku z tym, aby dokładnie określić strumień promieniowania kosmicznego, należy zrozumieć wiele kwestii geograficznych i geologicznych. Na przykład ciśnienie atmosferyczne , które zmienia się wraz z wysokością, może 30-krotnie zmienić tempo produkcji nuklidów w minerałach między poziomem morza a szczytem góry o wysokości 5 km. Nawet zmiany nachylenia gruntu mogą wpływać na to, jak daleko miony o wysokiej energii mogą penetrować podpowierzchnię. Natężenie pola geomagnetycznego, które zmienia się w czasie, wpływa na tempo produkcji nuklidów kosmogenicznych, chociaż niektóre modele zakładają, że zmiany natężenia pola są uśredniane w czasie geologicznym i nie zawsze są brane pod uwagę.

Bibliografia