Nuclídeo primordial - Primordial nuclide

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

Em geoquímica , geofísica e física nuclear , os nuclídeos primordiais , também conhecidos como isótopos primordiais , são nuclídeos encontrados na Terra que existiam 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 por ejeção de massa, por fragmentação de raios cósmicos e, potencialmente, de outros processos. Eles são os nuclídeos estáveis ​​mais a fração de longa vida dos radionuclídeos que sobrevivem na nebulosa solar primordial por meio do acúmulo de planetas até o presente; 286 desses nuclídeos são conhecidos.

Estabilidade

Todos os 252 nuclídeos estáveis conhecidos , além de 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
WL
, 150
WL
; 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 dados deve ser maior do 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 decorreram, o que significa que para cada toupeira (6,02 × 10 23  átomos ) desse nuclídeo estando presente na formação da Terra, apenas 4 átomos permanecem hoje.

Os quatro nuclídeos primordiais de vida mais curta ( ou seja , 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 meia-vida comparável ou um pouco menor que a idade estimada do universo . ( 232 Th tem meia-vida ligeiramente mais longa do que a idade do universo.) Para uma lista completa dos 34 radionuclídeos primordiais conhecidos, incluindo os próximos 30 com meia-vida muito mais longa do que a idade do universo, veja a lista completa abaixo . Para fins práticos, nuclídeos com meia-vida muito mais longa do que a idade do universo podem ser tratados como se fossem estáveis. 232 Th e 238 U têm meia-vida longa o suficiente para que sua decadência seja limitada em escalas de tempo geológicas; 40 K e 235 U têm meia-vida mais curta 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 é 244
Pu
, com meia-vida de 8,08 × 10 7  anos . Foi relatado que existe na natureza como um nuclídeo primordial, embora um estudo posterior não o tenha detectado. O segundo isótopo de vida mais longa não comprovado como primordial é146
Sm
, que tem meia-vida de 6,8 × 10 7  anos , cerca do dobro do isótopo de vida mais longa do terceiro92
Nb
(3,5 × 10 7  anos ). Levando em consideração que todos esses nuclídeos devem existir por pelo menos4,6 × 10 9  anos , 244 Pu deve sobreviver a 57 meias-vidas (e, portanto, ser reduzido por um fator de 2 57  ≈ 1,4 × 10 17 ), 146 Sm deve sobreviver a 67 (e ser reduzido em 2 67  ≈ 1,5 × 10 20 ), e 92 Nb deve sobreviver a 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 testes humanos, enquanto 92 Nb e todos nuclídeos de vida mais curta, não. Nuclídeos como o de 92 Nb, que estavam presentes na nebulosa solar primordial, mas há muito decaíram completamente, são chamados de radionuclídeos extintos se não tiverem outro meio de serem regenerados.

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 (como 14
C
, 3
H
, e 239
Pu
) não são primordiais, visto que devem ser constantemente regenerados. Isso ocorre por radiação cósmica (no caso de nuclídeos cosmogênicos , como14
C
e 3
H
), ou (raramente) por processos como a transmutação geonuclear ( captura de nêutrons de urânio no caso de237
Np
e 239
Pu
) Outros exemplos de nuclídeos comuns de ocorrência natural, mas não primordiais, são os isótopos de radônio , polônio e rádio , que são todos filhos de nuclídeos radiogênicos do decaimento do urânio e são encontrados nos 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 terrestre , que é regenerado pelo decaimento beta do isótopo primordial radioativo de vida extremamente longa 40 K , cuja metade -a vida é da ordem de um bilhão de anos e, portanto, tem gerado argônio desde o início da existência da Terra. (O argônio primordial era 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 vida longa 232 Th . Esses nuclídeos são descritos como geogênicos , o que significa que são produtos de decomposição ou fissão do urânio ou de outros actinídeos em rochas subsuperficiais. Todos esses nuclídeos têm meia-vida mais curta do que seus nuclídeos primordiais radioativos de origem. 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 cerca de 10 -14 de todo o estanho natural .

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 de chumbo, exclusivo de 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, uma vez que sua radioatividade não é motivo de grande preocupação. O número de elementos é menor do que o número de nuclídeos, porque muitos dos elementos primordiais são representados por vários isótopos . Veja elemento químico para mais informações.

Nuclídeos estáveis ​​de ocorrência natural

Conforme observado, eles chegam a cerca de 252. Para obter uma lista, consulte a lista de artigos de elementos por estabilidade de isótopos . Para obter uma lista completa de quais dos 252 nuclídeos "estáveis" podem ser instáveis ​​em algum aspecto, consulte a lista de nuclídeos e nuclídeos estáveis . Essas questões não impactam a questão de se um nuclídeo é primordial, uma vez que todos os nuclídeos "quase estáveis", com meia-vida mais longa que a idade do universo, também são primordiais.

Nuclídeos primordiais radioativos

Embora seja estimado 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 até pelos métodos empíricos mais modernos para serem estáveis, devem ser radioativos e podem decair por emissão alfa , mas a partir de 2013 isso só poderia ser medido experimentalmente para180
C
. Da mesma forma, espera-se que todos os quatro isótopos primordiais de chumbo decaiam para mercúrio , mas as meias-vidas previstas são tão longas (algumas excedendo 10 100 anos) que isso dificilmente poderá 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, nuclídeos estáveis - é limitado. Mesmo quando um nuclídeo "estável" é considerado radioativo, ele simplesmente se move da lista estável para a instável 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.

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 com dois radioisótopos primordiais). Os radionuclídeos são listados em ordem de estabilidade, com a meia-vida mais longa começando a lista. Em muitos casos, esses radionuclídeos são tão estáveis ​​que competem pela abundância com os 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 tem meia-vida de 2,2 × 10 24  anos , o 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 têm meias-vidas muito mais longas. O isótopo primordial de vida mais curta, 235 U, tem meia-vida de 703,8 milhões de anos, cerca de um sexto da idade da Terra e do Sistema Solar .

Não. Nuclídeo Energia Meia-
vida
(anos)

Modo de decaimento
Energia de decaimento
(MeV)
Aproximadamente. proporção de
meia-vida para
idade do universo
253 128 Te 8,743261 2,2 × 10 24 2 β - 2.530 160 trilhões
254 124 Xe 8.778264 1,8 × 10 22 KK 2.864 1 trilhão
255 78 Kr 9.022349 9,2 × 10 21 KK 2.846 670 bilhões
256 136 Xe 8.706805 2,165 × 10 21 2 β - 2.462 150 bilhões
257 76 ge 9.034656 1,8 × 10 21 2 β - 2.039 130 bilhões
258 130 Ba 8,742574 1,2 × 10 21 KK 2.620 90 bilhões
259 82 Se 9.017596 1,1 × 10 20 2 β - 2,995 8 bilhões
260 116 Cd 8,836146 3,102 × 10 19 2 β - 2.809 2 bilhões
261 48 Ca 8,992452 2,301 × 10 19 2 β - 4,274, 0,0058 2 bilhões
262 209 Bi 8.158689 2,01 × 10 19 α 3.137 1 bilião
263 96 Zr 8,961359 2,0 × 10 19 2 β - 3,4 1 bilião
264 130 Te 8,766578 8,806 × 10 18 2 β - 0,868 600 milhões
265 150 Nd 8,562594 7,905 × 10 18 2 β - 3.367 600 milhões
266 100 Mo 8,933167 7,804 × 10 18 2 β - 3.035 600 milhões
267 151 eu 8.565759 5,004 × 10 18 α 1.9644 300 milhões
268 180 W 8.347127 1,801 × 10 18 α 2.509 100 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 - .321 600.000
271 148 Sm 8,607423 7,005 × 10 15 α 1,986 500.000
272 144 Nd 8,652947 2.292 × 10 15 α 1,905 200.000
273 186 Os 8,302508 2,002 × 10 15 α 2.823 100.000
274 174 Hf 8,392287 2,002 × 10 15 α 2.497 100.000
275 115 dentro 8,849910 4,4 × 10 14 β - , 499 30.000
276 152 Gd 8,562868 1,1 × 10 14 α 2,203 8000
277 190 Pt 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 La 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 - 0,0026 3
282 176 Lu 8.374665 3,764 × 10 10 β - 1,193 2,7
283 232 th 7,918533 1,405 × 10 10 α ou SF 4.083 1
284 238 U 7,872551 4,468 × 10 9 α ou SF ou 2 β - 4.270 0,3
285 40 K 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

Lendas da lista

Nenhum número)
Um número inteiro positivo em execução para referência. Esses números podem mudar um pouco no futuro, uma vez que há 252 nuclídeos agora classificados como estáveis, mas que são teoricamente 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 estáveis ​​(observacionalmente).
Nuclídeo
Os identificadores de nuclídeos são dados por seu número de massa A e o símbolo do elemento químico correspondente (implica em um número de próton único ).
Energia
Massa do nucleon médio deste nuclídeo em relação à massa de um nêutron (para que todos os nuclídeos obter um valor positivo) em MeV / c 2 , formalmente: m n - m nuclídeo / A .
Meia-vida
Todos os tempos são dados em anos.
Modo de decaimento
α decadência α
β - β - decadência
K captura de elétrons
KK captura dupla de elétrons
β + decaimento β +
SF fissão espontânea
2 β - β duplo - decaimento
2 β + decaimento β + duplo
eu transição isomérica
p emissão de prótons
n emissão de nêutrons
Energia decadente
Vários valores para a energia de decaimento (máxima) em MeV são mapeados para os modos de decaimento em sua ordem.

Veja também

Referências