Первинні нукліди нукліди у складі Землі які існували у своїй сучасній формі ще до утворення Землі Первинні нукліди були

Первинні нукліди — нукліди у складі Землі, які існували у своїй сучасній формі ще до утворення Землі. Первинні нукліди були присутні в міжзоряному середовищі, з якого утворилася Сонячна система. Вони виникли в первинному нуклеосинтезі під час Великого вибуху, в зоряному нуклеосинтезі в зорях з подальшим викиданням речовини із зір в міжзоряний простір, сколювання космічними променями і, можливо, в результаті інших процесів. Вони є стабільними нуклідами або достатньо довгоживучими радіонуклідами, щоб прожити від утворення Сонячної системи до сьогодення. Відомо 286 первинних нуклідів: 251 стабільний і 35 радіоактивних з довгим періодом напіврозпаду.

Відносна кількість хімічних елементів у верхній частині континентальної кори Землі в розрахунку на один атом

Стабільність

Усі відомі 251 стабільний нуклід, а також ще 35 нуклідів, які мають період напіврозпаду достатньо довгий, щоб вижити з моменту утворення Землі, є первинними нуклідами. Ці 35 первинних нуклідів є радіоактивними ізотопами 28 різних хімічних елементів. Кадмій, неодим, осмій, самарій, телур, уран і ксенон при цьому мають по два первинні радіоізотопи — , ; , ; , ; , ; , ; , ; 235U, 238U.

Оскільки вік Землі становить 4,58·10⁹ років (4,6 мільярда років), період напіврозпаду даних нуклідів повинен бути більшим, ніж приблизно 10⁸ років (100 мільйонів років). Наприклад, для нукліда з періодом напіврозпаду 6·10⁷ років (60 мільйонів років), від утворення Землі минуло 77 періодів напіврозпаду, так що з кожного моля (6,02·10²³ атомів) цього нукліда, який був присутній при формуванні Землі, досьогодні залишилося лише 6,02·10²³/2⁷⁷ = 4 атоми.

Сім експериментально підтверджених первинних нуклідів з найкоротшим періодом напіврозпаду, це (5,0·10¹⁰ років), (4,1·10¹⁰ років), (3,8·10¹⁰ років), 232Th (1,4·10¹⁰ років), 238U (4,5·10⁹ років), 40K (1,25·10⁹ років) і 235U (7,0·10⁸ років). Ці сім нуклідів мають період напіврозпаду, порівнянний або дещо меншим за вік Всесвіту 13,8 мільярда років. ⁸⁷Rb, ¹⁸⁷Re, ¹⁷⁶Lu, ²³²Th і ²³⁸U мають достатньо довгі періоди напіврозпаду, щоб більша їх частина збереглася протягом геологічних масштабів часу. ⁴⁰K і ²³⁵U мають коротший період напіврозпаду і, отже, їхня поширеність вже значно менша за первинну, але значна частина їхньої первинної кількості досі збереглась.

Повний список 35 відомих первинних радіонуклідів наведено нижче.

Найбільш довгоживучий ізотоп, не знайдений як первинний — , який має період напіврозпаду 1,03·10⁸ років, наступні — (8,08·10⁷ років) і (3,5·10⁷ років). Повідомлялося, що ²⁴⁴Pu існує в природі як первинний нуклід, але пізніші дослідження не виявили його. Враховуючи, що всі ці нукліди повинні зберегтися принаймні протягом 4,6·10⁹ років від формування Землі, ¹⁴⁶Sm мав пережити 45 періодів напіврозпаду (і, отже, його кількість мала зменшитись у 2⁴⁵ ≈ 4·10¹³ разів), ²⁴⁴Pu — 57 періодів напіврозпаду (зменшення у 2⁵⁷ ≈ 10¹⁷ разів), а ⁹²Nb — 130 періодів напіврозпаду (зменшення у 2¹³⁰ ≈ 10³⁹ разів). Математично, враховуючи ймовірну початкову кількість цих нуклідів, первинні ¹⁴⁶Sm і ²⁴⁴Pu повинні зберігатися десь на Землі досьогодні, навіть якщо їх неможливо ідентифікувати експериментально, тоді як ⁹²Nb і всі ще більш короткоживучі нукліди не повинні зберегтись навіть теоретично. Такі нукліди, як ⁹²Nb, які були присутні в первинній сонячній туманності, але вже давно повністю розпалися, називаються вимерлими радіонуклідами, якщо вони не мають інших способів утворення.

Природні нукліди, які не є первинними

Деякі нестабільні ізотопи, які зустрічаються в природі (наприклад, 14C, 3H і 239Pu) не є первинними, оскільки вони повинні постійно відновлюватися. Це відбувається через космічне випромінювання (у випадку космогенних нуклідів, таких як 14C і 3H), геоядерну трансмутацію (наприклад, захоплення нейтронів ураном з утворенням 237Np і 239Pu) або радіоактивний розпад довгоживучих радіоактивних первинних нуклідів.

Наприклад, ізотопи радону, полонію та радію є радіогенними дочірніми нуклідами урану та містяться в уранових рудах. Стабільний ізотоп аргону ⁴⁰Ar насправді більш поширений як радіогенний нуклід, ніж як первинний нуклід, утворюючи майже 1 % земної атмосфери. Він утворюється в результаті бета-розпаду довгоживучого радіоактивного первинного ізотопу ⁴⁰К, напівперіод життя якого становить понад мільярд років, тому аргон утворюється з самого початку існування Землі. У первинному аргоні домінував створюваний у зоряному альфа-процесі нуклід ³⁶Ar, але тепер на Землі він зустрічається значно рідше, ніж ⁴⁰Ar. Подібний радіогенний ряд походить і від довгоживучого радіоактивного первинного нукліда ²³²Th.

Такі нукліди, утворені в результаті розпаду або поділу урану чи інших актиноїдів у гірських породах Землі, називаються геогенними. Усі такі нукліди мають менший період напіврозпаду, ніж їхні вихідні радіоактивні первинні нукліди. Деякі інші геогенні нукліди не зустрічаються в ланцюгах розпаду ²³²Th, ²³⁵U або ²³⁸U, але все ще можуть зустрічатися в природі у невеликих кількостях як продукти спонтанного поділу одного з цих трьох довгоживучих нуклідів. Наприклад, ¹²⁶Sn складає близько 10⁻¹⁴ всього природного олова.

Первинні елементи

Оскільки первинні хімічні елементи часто складаються з більш ніж одного первинного ізотопу, існує лише 83 первинні хімічні елементи. З них 80 мають принаймні один стабільний ізотоп, а ще 3 елементи мають лише радіоактивні ізотопи.

80 стабільних первинних елементів — це всі елементи від водню до свинцю (атомні номери від 1 до 82), за винятком технецію (43) і прометію (61). Три радіоактивні первинні елементи — це вісмут (83), торій (90) і уран (92). Період напіврозпаду вісмуту настільки довгий, що його часто класифікують разом із 80 первинними стабільними елементами, оскільки його дуже слабка радіоактивність не викликає практичної небезпеки.

Список первинних елементів наведено нижче. В першій таблиці подано парні елементи, в другій — непарні.

Первинні ізотопи елементів з парними Z (у порядку зменшення поширеності на Землі)
Z	Елемент	Стабільні	Радіоакт.	нестабільні курсивом непарне число нейтронів рожевим
50	олово	10	—	120Sn	118Sn	116Sn	119Sn	117Sn	124Sn	122Sn	112Sn	114Sn	115Sn
54	ксенон	7	2	132Xe	129Xe	131Xe	134Xe	136Xe	130Xe	128Xe	124Xe	126Xe
48	кадмій	6	2	114Cd	112Cd	111Cd	110Cd	113Cd	116Cd	106Cd	108Cd
52	телур	6	2	130Te	128Te	126Te	125Te	124Te	122Te	123Te	120Te
44	рутеній	7	—	102Ru	104Ru	101Ru	99Ru	100Ru	96Ru	98Ru
66	диспрозій	7	—	164Dy	162Dy	163Dy	161Dy	160Dy	158Dy	156Dy
70	ітербій	7	—	174Yb	172Yb	173Yb	171Yb	176Yb	170Yb	168Yb
80	ртуть	7	—	202Hg	200Hg	199Hg	201Hg	198Hg	204Hg	196Hg
42	молібден	6	1	98Mo	96Mo	95Mo	92Mo	100Mo	97Mo	94Mo
56	барій	6	1	138Ba	137Ba	136Ba	135Ba	134Ba	132Ba	130Ba
64	гадоліній	6	1	158Gd	160Gd	156Gd	157Gd	155Gd	154Gd	152Gd
60	неодим	5	2	142Nd	144Nd	146Nd	143Nd	145Nd	148Nd	150Nd
62	самарій	5	2	152Sm	154Sm	147Sm	149Sm	148Sm	150Sm	144Sm
76	осмій	5	2	192Os	190Os	189Os	188Os	187Os	186Os	184Os
46	паладій	6	—	106Pd	108Pd	105Pd	110Pd	104Pd	102Pd
68	ербій	6	—	166Er	168Er	167Er	170Er	164Er	162Er
20	кальцій	5	1	40Ca	44Ca	42Ca		43Ca	46Ca
34	селен	5	1	80Se	78Se	76Se	82Se	77Se	74Se
36	криптон	5	1	84Kr	86Kr	82Kr	83Kr	80Kr	78Kr
72	гафній	5	1	180Hf	178Hf	177Hf	179Hf	176Hf	174Hf
78	платина	5	1	195Pt	194Pt	196Pt	198Pt	192Pt	190Pt
22	титан	5	—	48Ti	46Ti	47Ti	49Ti	50Ti
28	нікель	5	—	58Ni	60Ni	62Ni	61Ni	64Ni
30	цинк	5	—	64Zn	66Zn	68Zn	67Zn	70Zn
32	германій	4	1	74Ge	72Ge	70Ge	73Ge	76Ge
40	цирконій	4	1	90Zr	94Zr	92Zr	91Zr	96Zr
74	вольфрам	4	1	184W	186W	182W	183W	180W
16	сірка	4	—	32S	34S	33S	36S
24	хром	4	—	52Cr	53Cr	50Cr	54Cr
26	залізо	4	—	56Fe	54Fe	57Fe	58Fe
38	стронцій	4	—	88Sr	86Sr	87Sr	84Sr
58	церій	4	—	140Ce	142Ce	138Ce	136Ce
82	свинець	4	—	208Pb	206Pb	207Pb	204Pb
8	кисень	3	—	16O	18O	17O
10	неон	3	—	20Ne	22Ne	21Ne
12	магній	3	—	24Mg	26Mg	25Mg
14	кремній	3	—	28Si	29Si	30Si
18	аргон	3	—	40Ar	36Ar	38Ar
2	гелій	2	—	4He	3He
6	вуглець	2	—	12C	13C
92	уран	0	2	238U	235U
4	берилій	1	—	9Be
90	торій	0	1	232Th

Первинні ізотопи елементів з непарними Z
Z	Element	Стабільні	Радіоакт.	нестабільні курсивом непарне число нейтронів рожевим
19	калій	2	1	39K	41K	40K
1	водень	2	—	1H	2H
3	літій	2	—	7Li	6Li
5	бор	2	—	11B	10B
7	азот	2	—	14N	15N
17	хлор	2	—	35Cl	37Cl
29	мідь	2	—	63Cu	65Cu
31	галій	2	—	69Ga	71Ga
35	бром	2	—	79Br	81Br
47	срібло	2	—	107Ag	109Ag
51	сурма	2	—	121Sb	123Sb
73	тантал	2	—	181Ta	180Ta
77	іридій	2	—	193Ir	191Ir
81	талій	2	—	205Tl	203Tl
23	ванадій	1	1	51V	50V
37	рубідій	1	1	85Rb	87Rb
49	індій	1	1	115In	113In
57	лантан	1	1	139La	138La
63	європій	1	1	153Eu	151Eu
71	лютецій	1	1	175Lu	176Lu
75	реній	1	1	187Re	185Re
9	фтор	1	—	19F
11	натрій	1	—	23Na
13	алюміній	1	—	27Al
15	фосфор	1	—	31P
21	скандій	1	—	45Sc
25	марганець	1	—	55Mn
27	кобальт	1	—	59Co
33	миш'як	1	—	75As
39	ітрій	1	—	89Y
41	ніобій	1	—	93Nb
45	родій	1	—	103Rh
53	йод	1	—	127I
55	цезій	1	—	133Cs
59	празеодим	1	—	141Pr
65	тербій	1	—	159Tb
67	гольмій	1	—	165Ho
69	тулій	1	—	169Tm
79	золото	1	—	197Au
83	вісмут	0	1	209Bi

Стабільні первинні нукліди

Кожен з 251 відомого стабільного ізотопа є одночасно первинним нуклідом. Теоретично багато з них можуть бути нестабільними, але мати настільки великий період напіврозпаду, що їхня нестабільність досі не зареєстрована експериментально.

Наприклад, теоретично передбачається, що всі ізотопи вольфраму, включаючи ті, які навіть найсучасніші емпіричні методи вважають стабільними, мають бути радіоактивними та можуть розпадатися через альфа-випромінювання, але станом на 2013 це вдалося підтвердити експериментально лише для . Також очікується, що всі чотири первинні ізотопи свинцю здатні розпадатися з утворенням ртуті, але прогнозовані періоди напіврозпаду настільки великі (деякі перевищують 10¹⁰⁰ років), що такі розпади навряд чи можна буде спостерігати в найближчому майбутньому.

Однак це не є суттєвим для визначення первинності нуклідів, оскільки такі великі періоди напіврозпаду означають, що за вік Землі або навіть вік Всесвіту будь-яка суттєва кількість нукліду все одно не встигла розпастись. Якщо якийсь стабільний нуклід виявиться радіоактивним, він має переміститися зі списку стабільних первинних нуклідів до списку нестабільних первинних нуклідів в наступному розділі, але загальна кількість первинних нуклідів залишиться незмінною.

Стабільні первинні нукліди в таблицях вище показані прямим шрифтом (на відміну від нестабільних, показаних курсивом).

Радіоактивні первинні нукліди

В таблиці нижче представлені 35 первинних радіоактивних нуклідів, які є ізотопами 28 різних хімічних елементів (кадмій, неодим, осмій, самарій, телур, уран і ксенон мають по два первинні радіоізотопи — , ; , ; , ; , ; , ; , ; 235U, 238U). Радіонукліди перераховані в порядку зменшення періоду напіврозпаду. В багатьох випадках періоди напіврозпаду настільки великі, що відповідні ізотопи мають поширеність того ж порядку, що й стабільні ізотопи відповідних елементів. Для трьох хімічних елементів (індію, телуру та ренію), дуже довгоживучий радіоактивний первинний нуклід є поширенішим за стабільний нуклід.

Найбільш довгоживучий відомий радіонуклід, ¹²⁸Te, має період напіврозпаду 2,2·10²⁴ років, що в 160 трильйонів разів перевищує вік Всесвіту. Лише чотири з цих 35 нуклідів мають період напіврозпаду, менший за вік Всесвіту, а більшість мають періоди напіврозпаду набагато довші. Для практичних цілей нукліди з періодом напіврозпаду набагато довшим за вік Всесвіту можна розглядати як стабільні. Період напіврозпаду первинного ізотопу ²³⁵U з найкоротшим життям становить 703,8 мільйона років, тобто приблизно одну шосту від віку Землі та Сонячної системи. Багато з цих нуклідів розпадаються шляхом подвійного бета-розпаду, хоча деякі, як-от ²⁰⁹Bi, розпадаються іншими шляхами, такими як альфа-розпад.

У кінці списку додано ще два нукліди: ¹⁴⁶Sm і ²⁴⁴Pu. Вони не були підтверджені як первинні, але їхній період напіврозпаду достатньо довгий, щоб мінімальна кількість цих ізотопів могла зберегтись досьогодні.

Номери в першому стовпчику таблиці починаються з 252, враховуючи, що 251 нуклідів вважаються стабільними. Енергія зв'язку порахована відносно нейтрона, тобто як (m_n − m_ядра/A)c².

№	Нуклід	Енергія зв'язку (МеВ)	Період напіврозпаду (роки)	Канал розпаду	Енергія родпаду (МеВ)	Відношення періоду напіврозпаду до віку Всесвіту
252	¹²⁸Te	8,743261	2,2·10²⁴	2β⁻	2,530	160 трильйонів
253	¹²⁴Xe	8,778264	1,8·10²²	KK	2,864	1,3 трильйона
254	⁷⁸Kr	9,022349	9,2·10²¹	KK	2,846	670 мільярдів
255	¹³⁶Xe	8,706805	2,165·10²¹	2β⁻	2,462	160 мільярдів
256	⁷⁶Ge	9,034656	1,8·10²¹	2β⁻	2,039	130 мільярдів
257	¹³⁰Ba	8,742574	1,2·10²¹	KK	2,620	87 мільярдів
258	⁸²Se	9,017596	1,1·10²⁰	2β⁻	2,995	8,0 мільярдів
259	¹¹⁶Cd	8,836146	3,102·10¹⁹	2β⁻	2,809	2,3 мільярда
260	⁴⁸Ca	8,992452	2,301·10¹⁹	2β⁻	4,274, 0,0058	1,7 мільярда
261	²⁰⁹Bi	8,158689	2,01·10¹⁹	α	3,137	1,5 мільярда
262	⁹⁶Zr	8,961359	2,0·10¹⁹	2β⁻	3,4	1,5 мільярда
263	¹³⁰Te	8,766578	8,806·10¹⁸	2β⁻	0,868	640 мільйонів
264	¹⁵⁰Nd	8,562594	7,905·10¹⁸	2β⁻	3,367	570 мільйонів
265	¹⁰⁰Mo	8,933167	7,804·10¹⁸	2β⁻	3,035	570 мільйонів
266	¹⁵¹Eu	8,565759	5,004·10¹⁸	α	1,9644	360 мільйонів
267	¹⁸⁰W	8,347127	1,801·10¹⁸	α	2,509	130 мільйонів
268	⁵⁰V	9,055759	1,4·10¹⁷	β⁺ або β⁻	2,205, 1,038	10 мільйонів
269	¹⁷⁴Hf	8,392287	7,0·10¹⁶	α	2,497	5 мільйонів
270	¹¹³Cd	8,859372	7,7·10¹⁵	β⁻	0,321	560 000
271	¹⁴⁸Sm	8,607423	7,005·10¹⁵	α	1,986	510 000
272	¹⁴⁴Nd	8,652947	2,292·10¹⁵	α	1,905	170 000
273	¹⁸⁶Os	8,302508	2,002·10¹⁵	α	2,823	150 000
274	¹¹⁵In	8,849910	4,4·10¹⁴	β⁻	0,499	32 000
275	¹⁵²Gd	8,562868	1,1·10¹⁴	α	2,203	8 000
276	¹⁸⁴Os	8,311850	1,12·10¹³	α	2,963	810
277	¹⁹⁰Pt	8,267764	6,5·10¹¹	α	3,252	47
278	¹⁴⁷Sm	8,610593	1,061·10¹¹	α	2,310	7,7
279	¹³⁸La	8,698320	1,021·10¹¹	β⁻ або K або β⁺	1,044,1,737, 1,737	7,4
280	⁸⁷Rb	9,043718	4,972·10¹⁰	β⁻	0,283	3,6
281	¹⁸⁷Re	8,291732	4,122·10¹⁰	β⁻	0,0026	3,0
282	¹⁷⁶Lu	8,374665	3,764·10¹⁰	β⁻	1,193	2,7
283	²³²Th	7,918533	1,405·10¹⁰	α або СП	4,083	1,0
284	²³⁸U	7,872551	4,468·10⁹	α або СП або 2β⁻	4,270	0,3
285	⁴⁰K	8,909707	1,251·10⁹	β⁻ або K або β⁺	1,311, 1,505, 1,505	0,09
286	²³⁵U	7,897198	7,038·10⁸	α або СП	4,679	0,05
287	¹⁴⁶Sm	8,626136	1,03·10⁸	α	2,529	0,008
288	²⁴⁴Pu	7,826221	8,0·10⁷	α або СП	4,666	0,006

Примітки

Samir Maji та ін. (2006). Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis. Analyst. 131 (12): 1332—1334. Bibcode:2006Ana...131.1332M. doi:10.1039/b608157f. PMID 17124541.
Hoffman, D. C.; Lawrence, F. O.; Mewherter, J. L.; Rourke, F. M. (1971). Detection of Plutonium-244 in Nature. Nature. 234 (5325): 132—134. Bibcode:1971Natur.234..132H. doi:10.1038/234132a0.
Lachner, J. та ін. (2012). Attempt to detect primordial ²⁴⁴Pu on Earth. Physical Review C. 85 (1): 015801. Bibcode:2012PhRvC..85a5801L. doi:10.1103/PhysRevC.85.015801.
P. K. Kuroda (1979). Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature. Accounts of Chemical Research. 12 (2): 73—78. doi:10.1021/ar50134a005.
Clark, Ian (2015). Groundwater geochemistry and isotopes. CRC Press. с. 118. ISBN . Процитовано 13 липня 2020.
H.-T. Shen та ін. (PDF). accelconf.web.cern.ch. Архів оригіналу (PDF) за 25 листопада 2017. Процитовано 1 січня 2024.
Sonzogni, Alejandro. Interactive Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center: Brookhaven National Laboratory. Процитовано 30 серпня 2019.
Interactive Chart of Nuclides (Nudat2.5). National Nuclear Data Center. Процитовано 22 червня 2009.

[Sm146-1] Samir Maji та ін. (2006). Separation of samarium and neodymium: a prerequisite for getting signals from nuclear synthesis. Analyst. 131 (12): 1332—1334. Bibcode:2006Ana...131.1332M. doi:10.1039/b608157f. PMID 17124541.

[PU244-2] Hoffman, D. C.; Lawrence, F. O.; Mewherter, J. L.; Rourke, F. M. (1971). Detection of Plutonium-244 in Nature. Nature. 234 (5325): 132—134. Bibcode:1971Natur.234..132H. doi:10.1038/234132a0.

[PRC-3] Lachner, J. та ін. (2012). Attempt to detect primordial ²⁴⁴Pu on Earth. Physical Review C. 85 (1): 015801. Bibcode:2012PhRvC..85a5801L. doi:10.1103/PhysRevC.85.015801.

[4] P. K. Kuroda (1979). Origin of the elements: pre-Fermi reactor and plutonium-244 in nature. Accounts of Chemical Research. 12 (2): 73—78. doi:10.1021/ar50134a005.

[5] Clark, Ian (2015). Groundwater geochemistry and isotopes. CRC Press. с. 118. ISBN . Процитовано 13 липня 2020.

[6] H.-T. Shen та ін. (PDF). accelconf.web.cern.ch. Архів оригіналу (PDF) за 25 листопада 2017. Процитовано 1 січня 2024.

[nuclidetable-7] Sonzogni, Alejandro. Interactive Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center: Brookhaven National Laboratory. Процитовано 30 серпня 2019.

[8] Interactive Chart of Nuclides (Nudat2.5). National Nuclear Data Center. Процитовано 22 червня 2009.