Urnuklid

In der Geochemie , Geophysik und Kernphysik bezeichnet man als primordiale Nuklide oder primordiale Isotope Nuklide , die auf der Erde vorkommen und bereits vor der Entstehung der Erde in ihrer heutigen Form existierten . Primordiale Nuklide waren im interstellaren Medium vorhanden, aus dem das Sonnensystem entstand, und bildeten sich im Urknall , durch Nukleosynthese in Sternen und Supernovae mit anschließendem Massenauswurf, durch kosmische Strahlungsspallation oder durch andere Prozesse im Laufe der Geschichte des Universums. Sie umfassen die stabilen Nuklide sowie den Anteil der langlebigen Radionuklide, die vom primordialen Sonnennebel über die Planetenentstehung bis heute erhalten geblieben sind ; 286 solcher Nuklide sind bekannt.

Alle 251 bekannten stabilen Nuklide sowie weitere 35 Nuklide mit ausreichend langen Halbwertszeiten , um seit der Entstehung der Erde überlebt zu haben, treten als primordiale Nuklide auf. Diese 35 primordialen Radionuklide repräsentieren Isotope von 28 verschiedenen Elementen . Cadmium , Tellur , Xenon , Neodym , Samarium , Osmium und Uran besitzen jeweils zwei primordiale Radioisotope (¹¹³CD ,¹¹⁶CD ;¹²⁸Te ,¹³⁰Te ;¹²⁴Xe ,¹³⁶Xe ;¹⁴⁴Nd ,¹⁵⁰Nd ;¹⁴⁷Sm ,¹⁴⁸Sm ;¹⁸⁴Os ,¹⁸⁶Os ; und²³⁵U ,²³⁸U ).

Weil das Alter der Erde4,58 × 10⁹  Jahre ( ^4,58 Milliarden Jahre), die Halbwertszeit der gegebenen Nuklide muss größer sein als etwa10⁸  Jahre (100 Millionen Jahre) für ^eine praktische Nachweisbarkeit. Zum Beispiel für ein Nuklid mit Halbwertszeit6 × 10⁷  Jahre (60 Millionen Jahre), das bedeutet ^, dass 77 Halbwertszeiten vergangen sind, was bedeutet, dass für jedes Mol (Von den 6,02 × 10²³  Atomen dieses Nuklids, die bei der Entstehung der Erde vorhanden waren, sind heute nur noch 4 Atome übrig ^.

Die sieben kurzlebigsten primordialen Nuklide (d. h. die Nuklide mit den kürzesten Halbwertszeiten), die als primordial nachgewiesen werden können, sind⁸⁷Rb (4,92 × 10 ¹⁰  Jahre ),¹⁸⁷Re (4,12 × 10 ¹⁰  Jahre ),¹⁷⁶Lu (3,70 × 10 ¹⁰  Jahre ),²³²Th (1,40 × 10 ¹⁰  Jahre ),²³⁸U (4,46 × 10⁹ ^Jahre  ) ,⁴⁰K (1,25 × 10⁹ ^Jahre  ) und²³⁵U (7,04 × 10⁸ ^Jahre  ) .

Dies sind die sieben Nuklide mit Halbwertszeiten, die mit dem geschätzten Alter des Universums vergleichbar oder etwas kürzer sind . ( ^⁸⁷Rb, ^¹⁸⁷ Re, ^¹⁷⁶ Lu und ^²³² Th haben Halbwertszeiten, die etwas länger als das Alter des Universums sind.) Praktisch gesehen können Nuklide mit Halbwertszeiten, die deutlich länger als das Alter des Universums sind, als stabil betrachtet werden. ^⁸⁷Rb, ^¹⁸⁷Re, ^¹⁷⁶Lu, ^²³² Th und ^²³⁸ U haben so lange Halbwertszeiten, dass ihr Zerfall über geologische Zeiträume begrenzt ist; ^⁴⁰ K und ^²³⁵ U haben kürzere Halbwertszeiten und sind daher stark verarmt, aber immer noch langlebig genug, um in signifikanter Menge auf der Erde vorhanden zu sein.

Das langlebigste Isotop, dessen Urzustand nicht nachgewiesen ist ^{[ 1 ]} , ist¹⁴⁶Sm , das eine Halbwertszeit von9,20 × 10⁷ ^Jahre  , gefolgt von²⁴⁴Pu (8,13 × 10 ⁷  Jahre ) und⁹²Nb (3,47 × 10⁷  Jahre ). ^244Pu wurde 1971 als primordiales Nuklid in der Natur nachgewiesen ^{[ 2 ]} , diese Entdeckung konnte jedoch in weiteren Studien in den Jahren 2012 und 2022 nicht bestätigt werden ^{. [ 3 ] [ 4 ]}

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass alle diese Nuklide mindestens4,58 × 10⁹  Jahre , ^146Sm muss 50 Halbwertszeiten überstehen (und daher um 2 reduziert ^{werden 50}  ≈ 1 × 10 ¹⁵ ), ²⁴⁴ Pu muss 57 überstehen (und um einen Faktor 2 reduziert werden ⁵⁷  ≈ 1 × 10 ¹⁷ ), und ⁹² Nb muss 130 überstehen (und um 2 ¹³⁰  ≈  reduziert werden).1 × 10³⁹ ). Mathematisch betrachtet, unter Berücksichtigung der wahrscheinlichen ursprünglichen Häufigkeiten dieser Nuklide, sollten primordiales ^¹⁴⁶Sm und ^²⁴⁴Pu heute noch irgendwo in der Erde vorhanden sein, selbst wenn sie in dem relativ kleinen Teil der Erdkruste, der für menschliche Analysen zugänglich ist, nicht nachweisbar sind. ⁹²Nb und alle kurzlebigeren Nuklide hingegen ^{sollten nicht} nachweisbar sein. Nuklide wie ^⁹²Nb , die im primordialen Sonnennebel vorhanden waren, aber längst vollständig zerfallen sind, werden als ausgestorbene Radionuklide bezeichnet , wenn sie nicht auf anderem Wege regeneriert werden können. ^{[ 5 ]} Berechnungen für ^²⁴⁴Pu legen nahe, dass die Nachweisgrenzen im Jahr 2022 etwa eine Größenordnung von der Detektion als primordiales Nuklid entfernt waren. ^{[ 4 ]}

Da primordiale chemische Elemente oft aus mehr als einem primordialen Isotop bestehen, gibt es nur 83 verschiedene primordiale chemische Elemente . Von diesen besitzen 80 mindestens ein beobachtbar stabiles Isotop, und drei weitere primordiale Elemente ( Bismut , Thorium und Uran) weisen ausschließlich radioaktive Isotope auf .

Einige instabile Isotope, die natürlich vorkommen (wie zum Beispiel¹⁴C ,³Hand​²³⁹Pu ) sind nicht primordial, da sie ständig erneuert werden müssen. Dies geschieht durch kosmische Strahlung (im Falle von kosmogenen Nukliden wie Pu ).¹⁴C und³H ) oder (selten) durch Prozesse wie die geonukleare Transmutation ( Neutroneneinfang durch Uran im Falle von²³⁷Np und²³⁹Weitere Beispiele für häufig vorkommende , natürlich entstehende, aber nicht primordiale Nuklide sind Isotope von Radon , Polonium und Radium . Diese sind radiogene Zerfallsprodukte von Uran und kommen in Uranerzen vor. Das stabile Argonisotop ^⁴⁰ Ar ist als radiogenes Nuklid sogar häufiger als als primordiales Nuklid und macht fast 1 % der Erdatmosphäre aus. Es entsteht durch den Elektroneneinfangzerfall des extrem langlebigen radioaktiven primordialen Isotops ^⁴⁰ K , dessen Halbwertszeit in der Größenordnung von einer Milliarde Jahren liegt und das somit seit den Anfängen der Erdgeschichte Argon erzeugt. ( ^Das primordiale Argon wurde vom Alpha-Prozess- Nuklid ^36Ar dominiert , das auf der Erde deutlich seltener ist als ^40Ar . ) Und die klassischen Zerfallsketten radiogener Elemente stammen von den langlebigen radioaktiven primordialen Nukliden ^232Th , 235U und ^238U ab .

Diese Nuklide werden als geogen bezeichnet , d. h. sie sind Zerfalls- oder Spaltprodukte von Uran oder anderen Aktiniden in Gesteinen des Untergrunds. ^{[ 6 ]} Alle diese Nuklide haben kürzere Halbwertszeiten als ihre ursprünglichen radioaktiven Ausgangsnuklide. Einige andere geogene Nuklide entstehen natürlich als Produkte der spontanen Spaltung eines dieser drei langlebigen Nuklide, wie z. B. ^¹²⁶Sn , das etwa einen Anteil von 100 % ausmacht.10–12 Prozent des gesamten natürlichen Zinns . ^{[ 7 ]} Ein weiteres, ^99Tc , wurde ebenfalls nachgewiesen, ^{[ 8 ]} und es sind fünf weitere langlebige Spaltprodukte ^bekannt .

Ein primordiales Element ist ein chemisches Element mit mindestens einem primordialen Nuklid. Es gibt 251 stabile und 35 radioaktive primordiale Nuklide, aber nur 80 stabile primordiale Elemente – Wasserstoff bis Blei, Ordnungszahlen 1 bis 82, mit Ausnahme von Technetium (43) und Promethium (61) – und drei radioaktive primordiale Elemente : Bismut (83), Thorium (90) und Uran (92). Sollte sich Plutonium (94) als primordial erweisen (genauer gesagt das langlebige Isotop ^²⁴⁴ Pu), wäre es ein viertes radioaktives primordiales Element, obwohl seine synthetische Herstellung praktischerweise immer noch einfacher wäre. Die Halbwertszeit von Bismut ist so lang, dass es oft zu den 80 stabilen Elementen gezählt wird, da seine Radioaktivität unbedenklich ist. Die Anzahl der Elemente ist geringer als die Anzahl der Nuklide, da viele der ursprünglichen Elemente durch mehrere Isotope repräsentiert werden . Weitere Informationen finden Sie unter chemisches Element .

Wie bereits erwähnt, liegt diese Zahl bei etwa 251. Eine Liste finden Sie im Artikel „ Liste der Elemente nach Isotopenstabilität“ . Eine vollständige Liste, die auch angibt, welche der 251 „stabilen“ Nuklide in gewisser Hinsicht instabil sein könnten, finden Sie unter „ Liste der Nuklide und stabile Nuklide “. Diese Fragen haben keinen Einfluss auf die Frage, ob ein Nuklid primordial ist, da alle „nahezu stabilen“ Nuklide mit Halbwertszeiten, die länger als das Alter des Universums sind, ebenfalls primordial sind.

Obwohl man schätzt, dass etwa 35 primordiale Nuklide radioaktiv sind (siehe Liste der Nuklide ), ist es sehr schwierig, die genaue Anzahl radioaktiver Primordiale zu bestimmen, da es viele extrem langlebige Nuklide gibt, deren Halbwertszeiten noch unbekannt sind; tatsächlich sind alle Nuklide, die schwerer als Dysprosium-164 sind, theoretisch radioaktiv. ^{[ 9 ]} Beispielsweise wird theoretisch vorhergesagt, dass alle Wolframisotope , einschließlich derjenigen, die selbst nach modernsten empirischen Methoden als stabil gelten, durch Alphazerfall radioaktiv sein müssen , aber dies kann experimentell nur für 180W nachgewiesen werden ^. [ ^{10 ] Ebenso} wird erwartet , dass alle vier primordialen Bleiisotope zu Quecksilber zerfallen , aber die vorhergesagten Halbwertszeiten sind so lang (einige übersteigen 10 ^{¹⁰⁰ Jahre)} , dass solche Zerfälle in naher Zukunft kaum beobachtet werden können. Dennoch ist die Anzahl der Nuklide mit so langen Halbwertszeiten, dass sie mit den derzeitigen Instrumenten nicht messbar sind – und daher als stabile Nuklide gelten – begrenzt. Selbst wenn sich ein als „stabil“ geltendes Nuklid als radioaktiv erweist, verschiebt es sich lediglich von der Liste der stabilen zu den instabilen primordialen Nukliden, und die Gesamtzahl der primordialen Nuklide bleibt unverändert. Für praktische Zwecke können solche Nuklide, deren Radioaktivität mit herkömmlichen Methoden nicht nachweisbar ist, außerhalb spezialisierter Forschung als stabil betrachtet werden.

Diese 35 primordialen Radionuklide sind Isotope von 28 Elementen (Cadmium, Neodym, Osmium, Samarium, Tellur, Uran und Xenon besitzen jeweils zwei primordiale Radioisotope). Die Nuklide sind nach abnehmender Stabilität geordnet. Viele von ihnen sind so stabil, dass sie mit stabilen Isotopen ihrer jeweiligen Elemente um die Häufigkeit konkurrieren; tatsächlich ist bei drei Elementen ( Indium , Tellur und Rhenium ) ein sehr langlebiges radioaktives primordiales Nuklid häufiger als ein stabiles Nuklid.

Das langlebigste bekannte Radionuklid, ^128Te , hat eine Halbwertszeit von7,5 × 10 ²⁴  Jahre : das istDas 5,5 × 10 ^¹⁴-fache Alter des Universums . Nur vier dieser 35 Nuklide haben Halbwertszeiten, die kürzer oder nahezu gleich dem Alter des Universums sind. Die meisten der übrigen 30 haben deutlich längere Halbwertszeiten. Das kurzlebigste primordiale Nuklid, ^²³⁵ U, hat eine Halbwertszeit von 704 Millionen Jahren, etwa 15 % des Alters der Erde und des Sonnensystems . Viele dieser Nuklide zerfallen durch doppelten Beta-Zerfall , einige, wie beispielsweise ^²⁰⁹ Bi, jedoch auch durch andere Mechanismen wie den Alpha-Zerfall .

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