Космогенные нуклиды (или космогенные изотопы ) редкие нуклиды ( изотопы ) , созданные при высокой энергии космических лучей взаимодействует с ядром из месте в Солнечной системе атома , в результате чего нуклоны (протоны и нейтроны) , которые будут исключены из атома (см космических лучей скалывание ). Эти радионуклиды образуются в материалах Земли , таких как скалы или почвы , в земной атмосфере , и в внеземных предметов , таких как метеориты . Измеряя космогенные нуклиды, ученыемогут получить представление о целом ряде геологических и астрономических процессов. Существуют как радиоактивные, так и стабильные космогенные нуклиды. Некоторые из этих радионуклидов - это тритий , углерод-14 и фосфор-32 .
Считается, что определенные легкие (с низким атомным номером) первичные нуклиды (некоторые изотопы лития , бериллия и бора ) были созданы не только во время Большого взрыва , а также (и, возможно, в первую очередь) после Большого взрыва, но до конденсация Солнечной системы в результате расщепления космических лучей на межзвездный газ и пыль. Это объясняет их более высокое содержание в космических лучах по сравнению с их соотношениями и содержанием некоторых других нуклидов на Земле. Это также объясняет переизбыток ранних переходных металлов непосредственно перед железом в периодической таблице; таким образом, при расщеплении железа космическими лучами образуется скандий через хром, с одной стороны, и гелий через бор, с другой. [1] Однако произвольное определение того, что космогенные нуклиды образуются «in situ в Солнечной системе» (то есть внутри уже агрегированного фрагмента Солнечной системы), предотвращает образование первичных нуклидов в результате расщепления космических лучей до образования Солнечной системы. Систему нельзя было назвать «космогенными нуклидами», хотя механизм их образования точно такой же. Эти же нуклиды все еще прибывают на Землю в небольших количествах в космических лучах и образуются в метеороидах, в атмосфере, на Земле «космогенно». Тем не менее, бериллий (все это стабильная бериллий-9) присутствует [ править ] исконно в Солнечной системе в гораздо больших количествах, существовавший до конденсации Солнечной системы, и , таким образом , присутствует в материалах , из которых Солнечной системы сформирован.
Для того, чтобы сделать различие в других модах, сроки их формирование определяет , какое подмножество космических лучей скалывания производства нуклидов называется изначальным или космогенным (нуклид не может принадлежать к обеим классам). По соглашению, некоторые стабильные нуклиды лития, бериллия и бора , как полагают [1] были получены путем расщепления космических лучей в период времени между с Большого взрыва и образования Солнечной системы (таким образом , что делает эти изначальные нуклидов , по определению) не называются «космогенными», хотя они [ необходима цитата ] образовались в результате того же процесса, что и космогенные нуклиды (хотя и в более раннее время). Первородный нуклид бериллий-9, единственный стабильный изотоп бериллия, является примером этого типа нуклида.
Напротив, хотя радиоактивные изотопы бериллий-7 и бериллий-10 попадают в эту серию из трех легких элементов (литий, бериллий, бор), образованных в основном [ цитата ] путем нуклеосинтеза космическими лучами , оба этих нуклида тоже имеют период полураспада. Короче говоря, они были сформированы до образования Солнечной системы, и поэтому они не могут быть первичными нуклидами. Поскольку путь расщепления космических лучей является единственным возможным источником [ необходима цитата ] естественного появления бериллия-7 и бериллия-10 в окружающей среде, они являются космогенными.
Космогенные нуклиды
Вот список радиоизотопов, образовавшихся под действием космических лучей ; список также содержит способ производства изотопа. [2] Большинство космогенных нуклидов образуются в атмосфере, но некоторые из них образуются на месте в почве и горных породах, подвергающихся воздействию космических лучей, особенно кальция-41 из приведенной ниже таблицы.
Изотоп | Способ формирования | период полураспада |
---|---|---|
3 H (тритий) | 14 Н (п, 12 С) Т | 12,3 года |
7 Be | Расщепление (N и O) | 53,2 г |
10 Be | Расщепление (N и O) | 1387000 лет |
12 млрд | Расщепление (N и O) | |
11 С | Расщепление (N и O) | 20,3 мин. |
14 С | 14 Н (п, п) 14 С | 5730 лет |
18 F | 18 O (p, n) 18 F и скалывание (Ar) | 110 мин. |
22 Na | Расщепление (Ar) | 2,6 года |
24 Na | Расщепление (Ar) | 15 часов |
27 мг | Расщепление (Ar) | |
28 мг | Расщепление (Ar) | 20.9 ч |
26 Al | Расщепление (Ar) | 717000 лет |
31 Si | Расщепление (Ar) | 157 мин. |
32 Si | Расщепление (Ar) | 153 года |
32 P | Расщепление (Ar) | 14,3 г |
34m Cl | Расщепление (Ar) | 34 мин |
35 ю.ш. | Расщепление (Ar) | 87,5 г |
36 Cl | 35 Cl (n, γ) 36 Cl | 301000 лет |
37 Ar | 37 Cl (p, n) 37 Ar | 35 дн. |
38 Cl | Расщепление (Ar) | 37 мин. |
39 Ar | 40 Ar (n, 2n) 39 Ar | 269 лет |
39 Cl | 40 Ar (n, np) 39 Cl & растрескивание (Ar) | 56 мин. |
41 Ar | 40 Ar (n, γ) 41 Ar | 110 мин. |
41 Ca | 40 Ca (n, γ) 41 Ca | 102000 лет |
45 Ca | Расщепление (Fe) | |
47 Ca | Расщепление (Fe) | |
44 сбн | Расщепление (Fe) | |
46 сбн | Расщепление (Fe) | |
47 сбн | Расщепление (Fe) | |
48 сбн | Расщепление (Fe) | |
44 Ti | Расщепление (Fe) | |
45 Ti | Расщепление (Fe) | |
81 кр | 80 Kr (n, γ) 81 Kr | 229000 лет |
95 Тс | 95 Mo (p, n) 95 Tc | |
96 Тс | 96 Mo (p, n) 96 Tc | |
97 Тс | 97 Mo (p, n) 97 Tc | |
97m Tc | 97 Mo (p, n) 97m Tc | |
98 Тс | 98 Mo (p, n) 98 Tc | |
99 Тс | Расщепление (Xe) | |
129 Я | Расщепление (Xe) | 15 700 000 лет |
182 Yb | Расщепление (Pb) | |
182 Лю | Расщепление (Pb) | |
183 Лю | Расщепление (Pb) | |
182 Hf | Расщепление (Pb) | |
183 Hf | Расщепление (Pb) | |
184 Hf | Расщепление (Pb) | |
185 Hf | Расщепление (Pb) | |
186 Hf | Расщепление (Pb) | |
185 Вт | Расщепление (Pb) | |
187 Вт | Расщепление (Pb) | |
188 Вт | Расщепление (Pb) | |
189 Вт | Расщепление (Pb) | |
190 Вт | Расщепление (Pb) | |
188 Re | Расщепление (Pb) | |
189 Re | Расщепление (Pb) | |
190 Re | Расщепление (Pb) | |
191 Re | Расщепление (Pb) | |
192 Re | Расщепление (Pb) | |
191 Ос | Расщепление (Pb) | |
193 Ос | Расщепление (Pb) | |
194 Ос | Расщепление (Pb) | |
195 Ос | Расщепление (Pb) | |
196 Ос | Расщепление (Pb) | |
192 Ir | Расщепление (Pb) | |
194 Ir | Расщепление (Pb) | |
195 Ir | Расщепление (Pb) | |
196 Ir | Расщепление (Pb) |
Приложения в геологии, перечисленные по изотопам
элемент | масса | период полураспада (лет) | типичное приложение |
---|---|---|---|
бериллий | 10 | 1,387,000 | датирование обнажения горных пород, грунтов, ледяных кернов |
алюминий | 26 год | 720 000 | датирование обнажения горных пород, отложений |
хлор | 36 | 308 000 | датировка обнажения горных пород, индикатор грунтовых вод |
кальций | 41 год | 103 000 | датирование обнажения карбонатных пород |
йод | 129 | 15,700,000 | индикатор грунтовых вод |
углерод | 14 | 5730 | радиоуглеродное датирование |
сера | 35 год | 0,24 | время пребывания в воде |
натрий | 22 | 2,6 | время пребывания в воде |
тритий | 3 | 12,32 | время пребывания в воде |
аргон | 39 | 269 | индикатор грунтовых вод |
криптон | 81 год | 229 000 | индикатор грунтовых вод |
Использование в геохронологии
Как видно из приведенной выше таблицы, существует широкий спектр полезных космогенных нуклидов, которые можно измерить в почве, скалах, грунтовых водах и атмосфере. Все эти нуклиды имеют общую черту - они отсутствуют в материале хозяина во время образования. Эти нуклиды различаются по химическому составу и делятся на две категории. Представляющие интерес нуклиды представляют собой либо благородные газы, которые из-за своего инертного поведения по своей природе не удерживаются в кристаллизованном минерале, либо имеют достаточно короткий период полураспада, когда он распался после нуклеосинтеза, но достаточно длительный период полураспада, при котором он создает измеримые концентрации. . Первый включает измерение содержания 81 Kr и 39 Ar, тогда как последний включает измерение содержания 10 Be, 14 C и 26 Al.
Когда космические лучи сталкиваются с веществом, могут происходить 3 типа реакций космических лучей, которые, в свою очередь, производят измеренные космогенные нуклиды. [3]
- Расщепление космических лучей, которое является наиболее распространенной реакцией на поверхности (обычно от 0 до 60 см ниже) Земли и может создавать вторичные частицы, которые могут вызывать дополнительную реакцию при взаимодействии с другими ядрами, называемую каскадом столкновений .
- Захват мюонов происходит на глубине в несколько метров ниже поверхности, поскольку мюоны по своей природе менее реактивны и в некоторых случаях с мюонами высоких энергий могут достигать больших глубин [4]
- захват нейтронов, которые из-за низкой энергии нейтронов захватываются ядром, чаще всего водой, но сильно зависят от снега, влажности почвы и концентраций микроэлементов.
Поправки на потоки космических лучей
Поскольку Земля выступает на экваторе, а горы и глубокие океанические желоба допускают отклонения на несколько километров относительно однородно гладкого сфероида, космические лучи бомбардируют поверхность Земли неравномерно в зависимости от широты и высоты. Таким образом, для точного определения потока космических лучей необходимо учесть многие географические и геологические соображения. Например, атмосферное давление , которое изменяется с высотой, может изменить скорость образования нуклидов в минералах в 30 раз между уровнем моря и вершиной горы высотой 5 км. Даже изменение наклона земли может повлиять на то, как далеко высокоэнергетические мюоны могут проникать под поверхность. [5] Напряженность геомагнитного поля, которая изменяется во времени, влияет на скорость образования космогенных нуклидов, хотя некоторые модели предполагают, что вариации напряженности поля усредняются по геологическому времени и не всегда учитываются.
Рекомендации
- ^ a b Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 13–15. ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ SCOPE 50 - Радиоэкология после Чернобыля. Архивировано 13 мая 2014 г. на Wayback Machine , Научный комитет по проблемам окружающей среды (SCOPE), 1993. См. Таблицу 1.9 в разделе 1.4.5.2.
- ^ Lal, D .; Петерс, Б. (1967). «Космический луч произвел радиоактивность на Земле». Kosmische Strahlung II / Космические лучи II . Handbuch der Physik / Физическая энциклопедия. 9/46 / 2. С. 551–612. DOI : 10.1007 / 978-3-642-46079-1_7 . ISBN 978-3-642-46081-4.
- ^ Heisinger, B .; Lal, D .; Джулл, AJT; Кубик, П .; Ivy-Ochs, S .; Knie, K .; Нолти, Э. (30 июня 2002 г.). «Производство избранных космогенных радионуклидов мюонами: 2. Улавливание отрицательных мюонов». Письма о Земле и планетологии . 200 (3): 357–369. Bibcode : 2002E & PSL.200..357H . DOI : 10.1016 / S0012-821X (02) 00641-6 .
- ^ Данн, Джефф; Элмор, Дэвид; Музикар, Пол (1 февраля 1999 г.). «Коэффициенты масштабирования для скорости производства космогенных нуклидов для геометрического экранирования и ослабления на глубине на наклонных поверхностях». Геоморфология . 27 (1): 3–11. Bibcode : 1999Geomo..27 .... 3D . DOI : 10.1016 / S0169-555X (98) 00086-5 .