Nuclídeo cosmogênico - Cosmogenic nuclide

Nuclídeos cosmogênicos (ou isótopos cosmogênicos ) são raros nuclídeos ( isótopos ) criados quando um raio cósmico de alta energia interage com o núcleo de um átomo do Sistema Solar in situ , fazendo com que nucleons (prótons e nêutrons) sejam expelidos do átomo (ver raio cósmico fragmentação ). Esses nuclídeos são produzidos em materiais terrestres, como rochas ou solo , na atmosfera terrestre e em itens extraterrestres, como meteoróides . Ao medir os nuclídeos cosmogênicos, os cientistas são capazes de obter informações sobre uma variedade de processos geológicos e astronômicos . Existem nuclídeos cosmogênicos radioativos e estáveis . Alguns desses radionuclídeos são trítio , carbono-14 e fósforo-32 .

Acredita-se que certos nuclídeos primordiais leves (baixo número atômico) (isótopos de lítio , berílio e boro ) tenham sido criados não apenas durante o Big Bang , mas também (e talvez principalmente) após o Big Bang, mas antes do condensação do Sistema Solar, pelo processo de fragmentação dos raios cósmicos em gás interestelar e poeira. Isso explica sua maior abundância em raios cósmicos em comparação com sua abundância na Terra. Isso também explica a superabundância dos primeiros metais de transição logo antes do ferro na tabela periódica - a fragmentação do ferro por raios cósmicos produz escândio por meio do cromo, por um lado, e hélio, pelo boro, por outro. No entanto, a qualificação de definição arbitrária para nuclídeos cosmogênicos de serem formados "in situ no Sistema Solar" (ou seja, dentro de uma parte já agregada do Sistema Solar) impede que os nuclídeos primordiais formados por fragmentação de raios cósmicos antes da formação do Sistema Solar sejam chamados de "nuclídeos cosmogênicos" - embora o mecanismo para sua formação seja exatamente o mesmo. Esses mesmos nuclídeos ainda chegam à Terra em pequenas quantidades em raios cósmicos, e são formados em meteoróides, na atmosfera, na Terra, "cosmogenicamente". No entanto, o berílio (todo berílio-9 estável) está presente primordialmente no Sistema Solar em quantidades muito maiores, tendo existido antes da condensação do Sistema Solar e, portanto, presente nos materiais a partir dos quais o Sistema Solar se formou.

Para fazer a distinção de outra forma, o tempo de sua formação determina qual subconjunto de nuclídeos produzidos por fragmentação de raios cósmicos são denominados primordiais ou cosmogênicos (um nuclídeo não pode pertencer a ambas as classes). Por convenção, acredita-se que certos nuclídeos estáveis ​​de lítio, berílio e boro tenham sido produzidos por fragmentação de raios cósmicos no período de tempo entre o Big Bang e a formação do Sistema Solar (tornando esses nuclídeos primordiais , por definição) não denominados "cosmogênicos", embora tenham sido formados pelo mesmo processo que os nuclídeos cosmogênicos (embora em um momento anterior). O nuclídeo primordial berílio-9, único isótopo estável de berílio, é um exemplo desse tipo de nuclídeo.

Em contraste, embora os isótopos radioativos berílio-7 e berílio-10 caiam nesta série de três elementos leves (lítio, berílio, boro) formados principalmente pela nucleossíntese de espalhamento de raios cósmicos , ambos os nuclídeos têm meia-vida muito curta (53 dias e cerca de 1,4 milhão de anos, respectivamente) para que tenham sido formados antes da formação do Sistema Solar e, portanto, não podem ser nuclídeos primordiais. Uma vez que a rota de fragmentação dos raios cósmicos é a única fonte possível de ocorrência natural do berílio-7 e do berílio-10 no ambiente, eles são, portanto, cosmogênicos.

Nuclídeos cosmogênicos

Aqui está uma lista de radioisótopos formados pela ação dos raios cósmicos ; a lista também contém o modo de produção do isótopo. A maioria dos nuclídeos cosmogênicos são formados na atmosfera, mas alguns são formados in situ no solo e em rochas expostas aos raios cósmicos, notadamente o cálcio-41 na tabela abaixo.

Aplicações em geologia listadas por isótopo

Uso em geocronologia

Como visto na tabela acima, há uma grande variedade de nuclídeos cosmogênicos úteis que podem ser medidos no solo, nas rochas, na água subterrânea e na atmosfera. Todos esses nuclídeos compartilham a característica comum de estarem ausentes no material hospedeiro no momento da formação. Esses nuclídeos são quimicamente distintos e se enquadram em duas categorias. Os nuclídeos de interesse são gases nobres que, devido ao seu comportamento inerte, não são inerentemente presos em um mineral cristalizado ou têm uma meia-vida curta o suficiente onde decaiu desde a nucleossíntese, mas uma meia-vida longa o suficiente onde acumulou concentrações mensuráveis . O primeiro inclui a medição de abundâncias de ⁸¹ Kr e ³⁹ Ar, enquanto o último inclui a medição de abundâncias de ¹⁰ Be, ¹⁴ C e ²⁶ Al.

3 tipos de reações de raios cósmicos podem ocorrer quando um raio cósmico atinge a matéria que, por sua vez, produz os nuclídeos cosmogênicos medidos.

• A fragmentação de raios cósmicos, que é a reação mais comum na superfície próxima (tipicamente 0 a 60 cm abaixo) da Terra, pode criar partículas secundárias que podem causar reações adicionais na interação com outros núcleos, chamada cascata de colisão .
• A captura de múons permeia a profundidades alguns metros abaixo da subsuperfície, uma vez que os múons são inerentemente menos reativos e, em alguns casos, com múons de alta energia podem atingir profundidades maiores
• captura de nêutrons que, devido à baixa energia do nêutron, são capturados em um núcleo, mais comumente pela água, mas são altamente dependentes da neve, umidade do solo e concentrações de oligoelementos.

Correções para fluxos de raios cósmicos

Uma vez que a Terra incha no equador e nas montanhas e profundas trincheiras oceânicas permitem desvios de vários quilômetros em relação a um esferóide uniformemente liso, os raios cósmicos bombardeiam a superfície da Terra de forma desigual com base na latitude e altitude. Assim, muitas considerações geográficas e geológicas devem ser entendidas para que o fluxo de raios cósmicos seja determinado com precisão. A pressão atmosférica , por exemplo, que varia com a altitude, pode alterar a taxa de produção de nuclídeos dentro dos minerais por um fator de 30 entre o nível do mar e o topo de uma montanha de 5 km de altura. Mesmo variações na inclinação do solo podem afetar o quão longe os múons de alta energia podem penetrar na subsuperfície. A intensidade do campo geomagnético, que varia ao longo do tempo, afeta a taxa de produção de nuclídeos cosmogênicos, embora alguns modelos presumam que as variações da intensidade do campo são calculadas ao longo do tempo geológico e nem sempre são consideradas.

Referências