Nuclídeo primordial

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Abundância relativa dos elementos químicos na crosta continental superior da Terra , em uma base por átomo

Em geoquímica , geofísica e física nuclear , nuclídeos primordiais , também conhecidos como isótopos primordiais , são nuclídeos encontrados na Terra que existem em sua forma atual desde antes da formação da Terra . Nuclídeos primordiais estavam presentes no meio interestelar a partir do qual o sistema solar foi formado, e foram formados no, ou após, o Big Bang , por nucleossíntese em estrelas e supernovas seguida de ejeção de massa, por espalação de raios cósmicos, e potencialmente de outros processos. Eles são os nuclídeos estáveis ​​mais a fração de radionuclídeos de vida longa sobrevivendo na nebulosa solar primordial através da acreção do planeta até o presente; 286 desses nuclídeos são conhecidos.

Estabilidade

Todos os 252 nuclídeos estáveis conhecidos , mais outros 34 nuclídeos que têm meia-vida longa o suficiente para sobreviver à formação da Terra, ocorrem como nuclídeos primordiais. Esses 34 radionuclídeos primordiais representam isótopos de 28 elementos separados . Cádmio , telúrio , xenônio , neodímio , samário e urânio cada um tem dois radioisótopos primordiais (113
CD
,116
CD
;128
Te
,130
Te
;124
Xe
,136
Xe
;144
Nd
,150
Nd
;147
Sm
,148
Sm
; e235
você
,238
você
).

Porque a idade da Terra é4,58 × 10 9  anos (4,6 bilhões de anos), a meia-vida dos nuclídeos fornecidos deve ser maior que cerca de10 8  anos (100 milhões de anos) para considerações práticas. Por exemplo, para um nuclídeo com meia-vida6 × 10 7  anos (60 milhões de anos), isso significa que 77 meias-vidas se passaram, o que significa que para cada mol (6,02 × 10 23  átomos ) desse nuclídeo estando presente na formação da Terra, restam apenas 4 átomos hoje.

Os quatro nuclídeos primordiais de vida mais curta ( isto é , os nuclídeos com as meias-vidas mais curtas) que foram indiscutivelmente verificados experimentalmente são232
º
(1,4 × 10 10  anos ),238
você
(4,5 × 10 9  anos ),40
K
(1,25 × 10 9  anos ), e235
você
(7,0 × 10 8  anos ).

Estes são os 4 nuclídeos com meias-vidas comparáveis ​​ou um pouco menores que a idade estimada do universo . ( 232 Th tem uma meia-vida ligeiramente maior que a idade do universo.) Para uma lista completa dos 34 radionuclídeos primordiais conhecidos, incluindo os próximos 30 com meia-vida muito maior que a idade do universo, veja a lista completa abaixo . Para fins práticos, nuclídeos com meias-vidas muito mais longas que a idade do universo podem ser tratados como se fossem estáveis. 232 Th e 238 U têm meias-vidas longas o suficiente para que seu decaimento seja limitado em escalas de tempo geológicas; 40K e 235U têm meias-vidas mais curtas e, portanto, estão severamente esgotados, mas ainda têm vida longa o suficiente para persistir significativamente na natureza.

O próximo nuclídeo de vida mais longa após o final da lista dada na tabela é244
Pu
, com meia vida de8,08 × 10 7  anos . Foi relatado que existe na natureza como um nuclídeo primordial, [1] embora um estudo posterior não o tenha detectado. [2] O segundo isótopo de vida mais longa não comprovadamente primordial [3] [4] é146
Sm
, que tem meia-vida de6,8 × 10 7  anos , cerca do dobro do terceiro isótopo de vida mais longa92
Nb
(3,5 × 10 7  anos ). [5] Levando em conta que todos esses nuclídeos devem existir por pelo menos4,6 × 10 9  anos , 244 Pu deve sobreviver 57 meias-vidas (e, portanto, ser reduzido por um fator de 2 57  ≈ 1,4 × 10 17 ), 146 Sm deve sobreviver 67 (e ser reduzido em 2 67  ≈ 1,5 × 10 20 ), e 92 Nb deve sobreviver 130 (e ser reduzido em 2 130  ≈ 1,4 × 10 39 ). Matematicamente, considerando as prováveis ​​abundâncias iniciais desses nuclídeos, 244 Pu e 146 Sm primordiais devem persistir em algum lugar dentro da Terra hoje, mesmo que não sejam identificáveis ​​na porção relativamente menor da crosta terrestre disponível para ensaios humanos, enquanto 92 Nb e todos nuclídeos de vida mais curta não deveriam. Nuclídeos como 92 Nb que estavam presentes na nebulosa solar primordial, mas há muito decaíram completamente, são chamados de radionuclídeos extintos se não tiverem outros meios de serem regenerados. [6]

Como os elementos químicos primordiais geralmente consistem em mais de um isótopo primordial, existem apenas 83 elementos químicos primordiais distintos . Destes, 80 têm pelo menos um isótopo observacionalmente estável e três elementos primordiais adicionais têm apenas isótopos radioativos ( bismuto , tório e urânio).

Nuclídeos de ocorrência natural que não são primordiais

Alguns isótopos instáveis ​​que ocorrem naturalmente (como14
C
,3
H
, e239
Pu
) não são primordiais, pois devem ser constantemente regenerados. Isso ocorre por radiação cósmica (no caso de nuclídeos cosmogênicos como14
C
e3
H
), ou (raramente) por processos como transmutação geonuclear ( captura de nêutrons de urânio no caso de237
Np
e239
Pu
). Outros exemplos de nuclídeos naturais comuns, mas não primordiais, são isótopos de radônio , polônio e rádio , que são todos filhos de nuclídeos radiogênicos do decaimento de urânio e são encontrados em minérios de urânio. O isótopo de argônio estável 40 Ar é na verdade mais comum como um nuclídeo radiogênico do que como um nuclídeo primordial, formando quase 1% da atmosfera da Terra , que é regenerada pelo decaimento beta do isótopo primordial radioativo de vida extremamente longa 40 K, cuja meia-vida é da ordem de um bilhão de anos e, portanto, vem gerando argônio desde o início da existência da Terra. (O argônio primordial foi dominado pelo nuclídeo do processo alfa 36 Ar, que é significativamente mais raro do que 40 Ar na Terra.)

Uma série radiogênica semelhante é derivada do nuclídeo primordial radioativo de longa duração 232 Th . Esses nuclídeos são descritos como geogênicos , o que significa que são produtos de decomposição ou fissão de urânio ou outros actinídeos em rochas subterrâneas. [7] Todos esses nuclídeos têm meias-vidas mais curtas do que seus nuclídeos primordiais radioativos. Alguns outros nuclídeos geogênicos não ocorrem nas cadeias de decaimento de 232 Th, 235 U ou 238 U, mas ainda podem ocorrer fugazmente naturalmente como produtos da fissão espontânea de um desses três nuclídeos de vida longa, como 126 Sn , o que torna até cerca de 10-14 de todo o estanho natural . [8]

Elementos primordiais

Existem 252 nuclídeos primordiais estáveis ​​e 34 nuclídeos primordiais radioativos, mas apenas 80 elementos primordiais estáveis (1 a 82, ou seja, hidrogênio através do chumbo, excluindo 43 e 61, tecnécio e promécio respectivamente) e três elementos primordiais radioativos (bismuto, tório e urânio). A meia-vida do bismuto é tão longa que muitas vezes é classificado com os 80 elementos estáveis ​​primordiais, já que sua radioatividade não é motivo de séria preocupação. O número de elementos é menor que o número de nuclídeos, porque muitos dos elementos primordiais são representados por múltiplos isótopos . Veja elemento químico para mais informações.

Nuclídeos estáveis ​​de ocorrência natural

Como observado, esses números são cerca de 252. Para obter uma lista, consulte o artigo lista de elementos por estabilidade de isótopos . Para uma lista completa observando quais dos 252 nuclídeos "estáveis" podem ser em algum aspecto instáveis, veja lista de nuclídeos e nuclídeos estáveis . Essas questões não afetam a questão de saber se um nuclídeo é primordial, uma vez que todos os nuclídeos "quase estáveis", com meias-vidas maiores que a idade do universo, também são primordiais.

Nuclídeos primordiais radioativos

Embora se estime que cerca de 34 nuclídeos primordiais sejam radioativos (lista abaixo), torna-se muito difícil determinar o número total exato de primordiais radioativos, porque o número total de nuclídeos estáveis ​​é incerto. Existem muitos nuclídeos de vida extremamente longa cujas meias-vidas ainda são desconhecidas. Por exemplo, está previsto teoricamente que todos os isótopos de tungstênio , incluindo aqueles indicados pelos métodos empíricos mais modernos como estáveis, devem ser radioativos e podem decair por emissão alfa , mas a partir de 2013 isso só poderia ser medido experimentalmente para180
C
. [9] Da mesma forma, espera-se que todos os quatro isótopos primordiais de chumbo decaiam em mercúrio , mas as meias-vidas previstas são tão longas (algumas superiores a 10 100 anos) que isso dificilmente pode ser observado em um futuro próximo. No entanto, o número de nuclídeos com meias-vidas tão longas que não podem ser medidos com os instrumentos atuais – e são considerados deste ponto de vista como nuclídeos estáveis – é limitado. Mesmo quando um nuclídeo "estável" é radioativo, ele simplesmente se move do estável para o instável .lista de nuclídeos primordiais, e o número total de nuclídeos primordiais permanece inalterado. Para fins práticos, esses nuclídeos podem ser considerados estáveis ​​para todos os fins fora da pesquisa especializada. [ citação necessária ]

Lista de 34 nuclídeos primordiais radioativos e meias-vidas medidas

Esses 34 nuclídeos primordiais representam radioisótopos de 28 elementos químicos distintos (cádmio, neodímio, samário, telúrio, urânio e xenônio cada um tem dois radioisótopos primordiais). Os radionuclídeos estão listados em ordem de estabilidade, com a meia-vida mais longa começando a lista. Esses radionuclídeos, em muitos casos, são tão estáveis ​​que competem pela abundância com isótopos estáveis ​​de seus respectivos elementos. Para três elementos químicos, índio , telúrio e rênio , um nuclídeo primordial radioativo de vida muito longa é encontrado em maior abundância do que um nuclídeo estável.

O radionuclídeo de vida mais longa, 128 Te, tem meia-vida de2,2 × 10 24  anos , que é 160 trilhões de vezes a idade do Universo . Apenas quatro desses 34 nuclídeos têm meia-vida menor ou igual à idade do universo. A maioria dos 30 restantes tem meias-vidas muito mais longas. O isótopo primordial de vida mais curta, 235 U, tem uma meia-vida de 703,8 milhões de anos, cerca de um sexto da idade da Terra e do Sistema Solar . Muitos desses nuclídeos decaem por decaimento beta duplo , embora alguns gostem de decaimento de 209 Bi por outros métodos, como o decaimento alfa .

Não. Nuclídeo Energia Meia -
vida
(anos)

Modo de decaimento
Energia de decaimento
(MeV)
Aproximadamente. razão
meia-vida para a
idade do universo
253 128 Te 8.743261 2,2 × 10 24 2β- _ 2.530 160 trilhões
254 124Xe _ 8.778264 1,8 × 10 22 KK 2.864 1,3 trilhão
255 78 milhões 9.022349 9,2 × 10 21 KK 2.846 670 bilhões
256 136Xe _ 8.706805 2,165 × 10 21 2β- _ 2.462 160 bilhões
257 76 Ge 9.034656 1,8 × 10 21 2β- _ 2.039 130 bilhões
258 130 Ba 8.742574 1,2 × 10 21 KK 2.620 87 bilhões
259 82 9.017596 1,1 × 10 20 2β- _ 2.995 8,0 bilhões
260 116 CD 8.836146 3,102 × 10 19 2β- _ 2.809 2,3 bilhões
261 48 Ca 8.992452 2.301 × 10 19 2β- _ 4.274, .0058 1,7 bilhão
262 209 Bi 8.158689 2,01 × 10 19 α 3.137 1.5 bilhoes
263 96 Zr 8.961359 2,0 × 10 19 2β- _ 3.4 1.5 bilhoes
264 130 Te 8.766578 8,806 × 10 18 2β- _ .868 640 milhões
265 150 Nd 8.562594 7,905 × 10 18 2β- _ 3.367 570 milhões
266 100 meses 8.933167 7,804 × 10 18 2β- _ 3.035 570 milhões
267 151 Eu 8.565759 5,004 × 10 18 α 1,9644 360 milhões
268 180 W 8.347127 1,801 × 10 18 α 2.509 130 milhões
269 50 V 9.055759 1,4 × 10 17 β + ou β 2.205, 1.038 10 milhões
270 113 CD 8.859372 7,7 × 10 15 β- _ .321 560.000
271 148 Sm 8.607423 7,005 × 10 15 α 1.986 510.000
272 144 Nd 8.652947 2,292 × 10 15 α 1.905 170.000
273 186 Os 8.302508 2,002 × 10 15 α 2.823 150.000
274 174 Hf 8.392287 2,002 × 10 15 α 2.497 150.000
275 115 em 8.849910 4,4 × 10 14 β- _ .499 32.000
276 152 D'us 8.562868 1,1 × 10 14 α 2.203 8000
277 190 pontos 8.267764 6,5 × 10 11 α 3.252 47
278 147 Sm 8.610593 1,061 × 10 11 α 2.310 7,7
279 138 8.698320 1,021 × 10 11 K ou β - 1.737, 1.044 7.4
280 87 Rb 9.043718 4,972 × 10 10 β- _ .283 3.6
281 187 Re 8.291732 4,122 × 10 10 β- _ .0026 3,0
282 176 Lu 8.374665 3,764 × 10 10 β- _ 1.193 2.7
283 232º _ 7.918533 1,405 × 10 10 α ou SF 4.083 1,0
284 238 U 7.872551 4,468 × 10 9 α ou SF ou 2 β 4.270 0,3
285 40 mil 8.909707 1,251 × 10 9 β ou K ou β + 1.311, 1.505, 1.505 0,09
286 235 U 7.897198 7,038 × 10 8 α ou SF 4.679 0,05

Listar legendas

Nenhum número)
Um inteiro positivo em execução para referência. Esses números podem mudar um pouco no futuro, pois existem 252 nuclídeos agora classificados como estáveis, mas que teoricamente são previstos como instáveis ​​(consulte Nuclídeo estável § Decaimento ainda não observado ), de modo que experimentos futuros podem mostrar que alguns são de fato instáveis. O número começa em 253, para seguir os 252 nuclídeos (observacionalmente) estáveis.
Nuclídeo
Os identificadores de nuclídeos são dados por seu número de massa A e o símbolo para o elemento químico correspondente (implica um número de prótons único ).
Energia
Massa do nucleon médio deste nuclídeo em relação à massa de um nêutron (portanto, todos os nuclídeos obtêm um valor positivo) em MeV /c 2 , formalmente: m nm nuclídeo / A .
Meia vida
Todos os tempos são dados em anos.
Modo de decaimento
α α decaimento
β- _ β - decaimento
K captura de elétrons
KK dupla captura de elétrons
+ _ β + decaimento
SF fissão espontânea
2β- _ duplo β decaimento
+ duplo β + decaimento
eu transição isomérica
p emissão de prótons
n emissão de nêutrons
Energia de decadência
Vários valores para energia de decaimento (máximo) em MeV são mapeados para modos de decaimento em sua ordem.

Veja também

Referências

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  2. ^ Lachner, J.; et ai. (2012). "Tentativa de detectar primordial 244 Pu na Terra". Revisão Física C . 85 (1): 015801. Bibcode : 2012PhRvC..85a5801L . doi : 10.1103/PhysRevC.85.015801 .
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  6. ^ PK Kuroda (1979). "Origem dos elementos: reator pré-Fermi e plutônio-244 na natureza". Contas de Pesquisa Química . 12 (2): 73–78. doi : 10.1021/ar50134a005 .
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