Kosmogenní nuklid - Cosmogenic nuclide

Kosmogenního nuklidy (nebo kosmogenního izotopy ) jsou vzácné nuklidy ( izotopů ) vytvořené při vysokoenergetického kosmického záření interaguje s jádrem po dosažení in situ sluneční soustavy atomu , což způsobuje nukleonů (protony a neutrony), které mají být vyloučen z atomu (viz kosmického záření spallace ). Tyto nuklidy se vyrábějí v materiálech Země, jako jsou kameny nebo zemina , v zemské atmosféře a v mimozemských předmětech, jako jsou meteoroidy . Měřením kosmogenních nuklidů mohou vědci získat přehled o řadě geologických a astronomických procesů. Existují jak radioaktivní, tak stabilní kosmogenní nuklidy. Některé z těchto radionuklidů jsou tritium , uhlík-14 a fosfor-32 .

Předpokládá se, že určité světelné (nízké atomové číslo) prvotní nuklidy (izotopy lithia , berylia a boru ) byly vytvořeny nejen během Velkého třesku , ale také (a možná primárně) byly vytvořeny po Velkém třesku, ale ještě před kondenzace sluneční soustavy, procesem spalování kosmického záření na mezihvězdný plyn a prach. To vysvětluje jejich vyšší výskyt v kosmických paprscích ve srovnání s jejich výskytem na Zemi. To také vysvětluje nadbytek raných přechodových kovů těsně před železem v periodické tabulce-kosmické spalování železa produkuje skandium skrz chrom na jedné straně a helium skrz bór na straně druhé. Libovolná definující kvalifikace kosmogenních nuklidů, které se tvoří „in situ ve sluneční soustavě“ (to znamená uvnitř již agregovaného kusu sluneční soustavy), však brání tomu, aby prvotní nuklidy vytvořené spallací kosmického paprsku před vznikem sluneční soustavy byly nazývané „kosmogenní nuklidy“ - i když mechanismus jejich vzniku je úplně stejný. Stejná nuklidy stále přicházejí na Zemi v malých množstvích v kosmických paprscích a jsou tvořena v meteoroidech, v atmosféře, na Zemi, „kosmogenně“. Beryllium (všechno stabilní berylium-9) je však ve sluneční soustavě přítomno v mnohem větším množství, protože existovalo před kondenzací sluneční soustavy, a je tedy přítomno v materiálech, ze kterých sluneční soustava vznikla.

Abychom to odlišili jiným způsobem, načasování jejich vzniku určuje, která podskupina nuklidů produkovaných spalací kosmického záření se označuje jako prvotní nebo kosmogenní (nuklid nemůže patřit do obou tříd). Podle konvence určité stabilní nuklidy lithia, berylia a bóru se předpokládá, že byly vyrobeny spallation kosmického paprsku v časovém období mezi k velkému třesku a vzniku Sluneční soustavy (čímž by se tyto prvotní nuklidy , podle definice) nejsou nazývají „kosmogenní“, přestože byly vytvořeny stejným procesem jako kosmogenní nuklidy (i když v dřívější době). Prvotní nuklid beryllium-9, jediný stabilní izotop berylia, je příkladem tohoto typu nuklidu.

Naproti tomu, přestože radioaktivní izotopy beryllium-7 a beryllium-10 spadají do této řady tří světelných prvků (lithium, beryllium, bor) tvořených převážně nukleosyntézou spalovací kosmického záření , oba tyto nuklidy mají příliš krátký poločas rozpadu (53 dní a asi 1,4 milionu let, resp.), aby byly vytvořeny před vznikem sluneční soustavy, a nemohou tedy být prvotními nuklidy. Vzhledem k tomu, že cesta spalování kosmického záření je jediným možným zdrojem výskytu berylia-7 a berylia-10 přirozeně v prostředí, jsou proto kosmogenní.

Kosmogenní nuklidy

Zde je seznam radioizotopů vytvořených působením kosmických paprsků ; seznam také obsahuje produkční režim izotopu. Většina kosmogenních nuklidů se tvoří v atmosféře, ale některé se vytvářejí in situ v půdě a hornině vystavené kosmickým paprskům, zejména vápníku-41 v tabulce níže.

Izotopy vzniklé působením kosmického záření
Izotop Způsob formování poločas rozpadu
3 H (tritium) 14 N (n, T) 12 C 12,3 r
7 Be Spallation (N and O) 53,2 d
10 Be Spallation (N and O) 1 387 000 r
12 B Spallation (N and O)
11 C. Spallation (N and O) 20,3 min
14 C. 14 N (n, p) 14 C a 208 Pb (α, 14 C) 198 Pt 5 730 let
18 F 18 O (p, n) 18 F a Spallation (Ar) 110 min
22 Na Spallation (Ar) 2,6 r
24 Na Spallation (Ar) 15 h
27 mg Spallation (Ar)
28 mg Spallation (Ar) 20.9 hod
26 Al Spallation (Ar) 717 000 let
31 Si Spallation (Ar) 157 min
32 Si Spallation (Ar) 153 let
32 str Spallation (Ar) 14,3 d
34m Spallation (Ar) 34 min
35 S. Spallation (Ar) 87,5 d
36 Cl 35 Cl (n, γ) 36 Cl a spallace (Ar) 301 000 let
37 Ar 37 Cl (p, n) 37 Ar 35 d
38 Cl Spallation (Ar) 37 min
39 Ar 40 Ar (n, 2n) 39 Ar 269 ​​let
39 Cl 40 Ar (n, np) 39 Cl 56 min
41 Ar 40 Ar (n, γ) 41 Ar 110 min
41 Ca 40 Ca (n, γ) 41 Ca 102 000 let
45 Ca Spallation (Fe)
47 Ca Spallation (Fe)
44 Sc Spallation (Fe)
46 Sc Spallation (Fe)
47 Sc Spallation (Fe)
48 Sc Spallation (Fe)
44 Ti Spallation (Fe)
45 Ti Spallation (Fe)
81 kr 80 Kr (n, γ) 81 Kr 229 000 let
95 Tc 95 Mo (p, n) 95 Tc
96 Tc 96 Mo (p, n) 96 Tc
97 Tc 97 Mo (p, n) 97 Tc
97 m Tc 97 Mo (p, n) 97 m Tc
98 Tc 98 Mo (p, n) 98 Tc
99 Tc Spallation (Xe)
107 Pd Spallation (Xe)
129 Spallation (Xe) 15 700 000 r
182 Yb Spallation (Pb)
182 Lu Spallation (Pb)
183 Lu Spallation (Pb)
182 Hf Spallation (Pb)
183 Hf Spallation (Pb)
184 Hf Spallation (Pb)
185 Hf Spallation (Pb)
186 Hf Spallation (Pb)
185 W. Spallation (Pb)
187 W. Spallation (Pb)
188 W. Spallation (Pb)
189 W. Spallation (Pb)
190 W. Spallation (Pb)
188 Re Spallation (Pb)
189 Re Spallation (Pb)
190 Re Spallation (Pb)
191 Re Spallation (Pb)
192 Re Spallation (Pb)
191 Os Spallation (Pb)
193 Os Spallation (Pb)
194 Os Spallation (Pb)
195 Os Spallation (Pb)
196 Os Spallation (Pb)
192 Ir Spallation (Pb)
194 Ir Spallation (Pb)
195 Ir Spallation (Pb)
196 Ir Spallation (Pb)

Aplikace v geologii seřazené podle izotopů

Běžně měřené kosmogenní izotopy s dlouhou životností
živel Hmotnost poločas rozpadu (roky) typická aplikace
beryllium 10 1 387 000 expoziční datování hornin, půd, ledových jader
hliník 26 720 000 expoziční datování hornin, sedimentů
chlór 36 308 000 expoziční datování hornin, stopovač podzemních vod
vápník 41 103 000 expozice datování karbonátových hornin
jód 129 15 700 000 stopovač podzemní vody
uhlík 14 5730 radiokarbonové seznamování
síra 35 0,24 doby zdržení vody
sodík 22 2.6 doby zdržení vody
tritium 3 12,32 doby zdržení vody
argon 39 269 stopovač podzemní vody
krypton 81 229 000 stopovač podzemní vody

Použití v geochronologii

Jak je vidět v tabulce výše, existuje celá řada užitečných kosmogenních nuklidů, které lze měřit v půdě, horninách, podzemních vodách a atmosféře. Všechny tyto nuklidy mají společný znak nepřítomnosti v hostitelském materiálu v době vzniku. Tyto nuklidy jsou chemicky odlišné a spadají do dvou kategorií. Zajímavé nuklidy jsou buď vzácné plyny, které díky svému inertnímu chování ze své podstaty nejsou zachyceny v krystalizovaném minerálu, nebo mají dostatečně krátký poločas rozpadu, kde se rozpadal od nukleosyntézy, ale dostatečně dlouhý poločas, kdy si vybudoval měřitelné koncentrace . První zahrnuje měření hojnosti 81 Kr a 39 Ar, zatímco druhý zahrnuje měření hojnosti 10 Be, 14 C a 26 Al.

Jakmile kosmický paprsek zasáhne hmotu, mohou nastat 3 typy reakcí kosmického záření, které zase produkují naměřené kosmogenní nuklidy.

  • spallace kosmického záření, což je nejběžnější reakce na blízkém povrchu (typicky 0 až 60 cm níže) Země a může vytvářet sekundární částice, které mohou po interakci s jinými jádry vyvolat další reakci nazývanou kolizní kaskáda .
  • odchyt mionů prostupuje v hloubkách několik metrů pod podpovrchem, protože miony jsou ze své podstaty méně reaktivní a v některých případech mohou miony s vysokou energií dosáhnout větších hloubek
  • zachycování neutronů, které jsou díky nízké energii neutronů zachyceny do jádra, nejčastěji vodou, ale jsou vysoce závislé na sněhu, půdní vlhkosti a koncentracích stopových prvků.

Opravy toků kosmického záření

Vzhledem k tomu, že se Země vypíná na rovníku a hory a hluboké oceánské příkopy umožňují odchylky několika kilometrů vzhledem k rovnoměrně hladkému sféroidu, kosmické paprsky bombardují povrch Země nerovnoměrně na základě zeměpisné šířky a nadmořské výšky. Aby bylo možné přesně určit tok kosmického záření, je třeba pochopit mnoho geografických a geologických úvah. Například atmosférický tlak , který se mění s nadmořskou výškou, může změnit produkci nuklidů uvnitř minerálů faktorem 30 mezi hladinou moře a vrcholem 5 km vysoké hory. I kolísání sklonu země může ovlivnit, jak daleko mohou vysokoenergetické miony proniknout do podpovrchové vrstvy. Síla geomagnetického pole, která se mění v čase, ovlivňuje rychlost produkce kosmogenních nuklidů, ačkoli některé modely předpokládají, že variace síly pole jsou zprůměrovány v průběhu geologického času a nejsou vždy brány v úvahu.

Reference