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宇宙線生成核種（または宇宙線同位体）は、高エネルギー宇宙線が太陽系内の原子核と相互作用し、核子（陽子と中性子）が原子から放出される（宇宙線破砕を参照）ことで生成される希少核種（同位体）である。これらの核種は、岩石や土壌などの地球の物質、地球の大気、および隕石などの地球外物体内で生成される。宇宙線生成核種を測定することで、科学者はさまざまな地質学的および天文学的プロセスについての知見を得ることができる。宇宙線生成核種には、放射性のものと安定なものの両方がある。これらの放射性核種には、トリチウム、炭素14、リン32などがある。
ある種の軽い（原子番号の低い）原始核種（リチウム、ベリリウム、ホウ素の同位体）は、ビッグバンの時に作られただけでなく、（おそらく主に）ビッグバン後、太陽系が凝縮する前に、星間ガスと塵に対する宇宙線の破砕のプロセスによって作られたと考えられています。これは、地球上と比較して、宇宙塵中のそれらの存在比が高いことを説明しています。これはまた、周期表で鉄の直前の初期の遷移金属が過剰であることも説明しています。鉄の宇宙線破砕により、一方ではクロムを介してスカンジウムが生成され、他方ではホウ素を介してヘリウムが生成されます。 [1]しかし、宇宙線生成核種は「太陽系内のその場で」（つまり、すでに集合した太陽系の一部の中で）形成されるという恣意的な定義条件により、太陽系形成前に宇宙線の破砕によって形成された原始核種は「宇宙線生成核種」と呼ばれることができない。たとえ、それらの形成メカニズムがまったく同じであってもである。これらの同じ核種は、宇宙線で少量地球に到達し、地球上の流星体、大気圏、および「宇宙線生成」で形成される。しかし、ベリリウム（すべて安定したベリリウム9）は、太陽系が凝縮する前から存在しており、太陽系にはるかに大量に[2]原始的に存在しており、したがって太陽系を形成した物質に存在している。
別の言い方をすれば、宇宙線破砕で生成された核種のどのサブセットが原始核種または宇宙起源核種と呼ばれるかは、その生成時期によって決まる（核種は両方のクラスに属することはできない）。慣例により、リチウム、ベリリウム、ホウ素の特定の安定核種は、ビッグバンから太陽系形成までの期間に宇宙線破砕によって生成されたと考えられており（したがって、定義上、これらは原始核種となる）、宇宙起源核種と同じプロセスで生成されたにもかかわらず（より早い時期に）、"宇宙起源"とは呼ばれない。[1] [3]唯一の安定なベリリウム同位体である原始核種ベリリウム-9は、このタイプの核種の例である。
対照的に、放射性同位体ベリリウム7とベリリウム10は、主に宇宙線核破砕による元素合成で生成される3つの軽元素（リチウム、ベリリウム、ホウ素）の系列に入りますが、これらの核種の半減期は太陽系の形成前に生成されたには短すぎる（それぞれ53日と約140万年）ため、原始核種ではあり得ません。宇宙線核破砕経路は、環境中に自然に発生するベリリウム7とベリリウム10の唯一の発生源であるため、これらは宇宙生成元素です。
宇宙線生成核種
以下は宇宙線の作用によって生成される放射性同位体のリストです。このリストには同位体の生成モードも含まれています。[4]宇宙線生成核種のほとんどは大気中で生成されますが、いくつかは宇宙線にさらされた土壌や岩石内でその場で生成されます。特に下の表のカルシウム41がそうです。
同位体別に地質学における応用を一覧表示
地質年代学での使用
上の表に見られるように、土壌、岩石、地下水、大気中で測定できる有用な宇宙線生成核種は多種多様である。[5]これらの核種はすべて、生成時にホスト物質に存在しないという共通の特徴を持っている。これらの核種は化学的に異なっており、2つのカテゴリに分類される。対象となる核種は、不活性な挙動のために本質的に結晶化した鉱物に閉じ込められない希ガス、または半減期が短いため元素合成以降に崩壊しているが、半減期が長いため測定可能な濃度が蓄積されているかのいずれかである。前者には81 Kr と39 Ar の存在量の測定が含まれ、後者には10 Be、14 C、および26 Alの存在量の測定が含まれる。
宇宙線が物質に衝突すると3種類の宇宙線反応が起こり、測定対象の宇宙線生成核種が生成されます。[6]
- 宇宙線破砕は、地球の表面近く（通常、地下 0 ～ 60 cm）で最も一般的な反応であり、二次粒子を生成する可能性があり、これが別の原子核と相互作用して衝突カスケードと呼ばれる追加の反応を引き起こす可能性があります。
- ミューオン捕獲は、ミューオンが本質的に反応性が低いため、地下数メートルの深さまで浸透する。場合によっては、高エネルギーミューオンはより深いところまで到達することがある[7]
- 中性子捕獲は、中性子のエネルギーが低いため、最も一般的には水によって原子核に捕獲されますが、[説明が必要]このプロセスは、雪、土壌の水分、微量元素の濃度に大きく依存します。
宇宙線フラックスの補正
地球は赤道で膨らんでおり、山脈や深い海溝によって均一で滑らかな球体から数キロメートルの偏差が生じるため、宇宙線は緯度と高度に応じて地球の表面に不均一に降り注ぐ。したがって、宇宙線フラックスを正確に測定するには、多くの地理的および地質学的考慮事項を理解する必要がある。たとえば、高度によって変化する大気圧は、海面と高さ 5 km の山頂との間で、鉱物内の核種の生成率を 30 倍も変える可能性がある。地面の傾斜の変化でさえ、高エネルギーミューオンが地下に浸透できる距離に影響を与える可能性がある。[8]時間とともに変化する地磁気の強度は宇宙線生成核種の生成率に影響を与えるが、一部のモデルでは、磁場強度の変動は地質学的時間にわたって平均化されると想定しており、常に考慮されるわけではない。
参照
参考文献
- ^ ab グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。p . 13–15。ISBN 978-0-08-037941-8。
- ^ 「ベリリウム | 特性、用途、および事実 | ブリタニカ」www.britannica.com 2023-09-17 2023-10-19閲覧。
- ^ Sapphire Lally (2021年7月24日). 「金はどのように作られるのか？重元素の謎に満ちた宇宙の起源」. New Scientist .
- ^ SCOPE 50 - チェルノブイリ後の放射線生態学、 Wayback Machine で2014-05-13にアーカイブ、環境問題に関する科学委員会(SCOPE)、1993年。セクション1.4.5.2の表1.9を参照。
- ^ シェーファー、ヨルグ M.コディリアン、アレクサンドル T.ウィレンブリング、ジェーン K.ルー、ジェンティアン。ケイスリング、ベンジャミン。フューロップ、レカ-H.ヴァル、ペドロ (2022-03-10)。 「宇宙生成核種技術」。Nature レビュー メソッド入門書。2 (1): 1 ～ 22。土井：10.1038/s43586-022-00096-9。ISSN 2662-8449。S2CID 247396585。
- ^ ラル、D.;ピーターズ、B. (1967)。 「宇宙線が地球上で放射能を生成する」。コスミッシェ・ストラルング II / コズミック・レイズ II。 Handbuch der Physik / 物理学百科事典。 Vol. 9 / 46 / 2。551–612 ページ。土井：10.1007/978-3-642-46079-1_7。ISBN 978-3-642-46081-4。
- ^ Heisinger, B.; Lal, D.; Jull, AJT; Kubik, P.; Ivy-Ochs, S.; Knie, K.; Nolte, E. (2002年6月30日). 「ミューオンによる選択された宇宙線生成核種の生成：2. 負のミューオンの捕獲」.地球惑星科学レター. 200 (3): 357–369. Bibcode :2002E&PSL.200..357H. doi :10.1016/S0012-821X(02)00641-6.
- ^ Dunne, Jeff; Elmore, David; Muzikar, Paul (1999年2月1日). 「傾斜面の深さにおける幾何学的遮蔽と減衰に対する宇宙線生成核種生成率のスケーリング係数」.地形学. 27 (1): 3–11. Bibcode :1999Geomo..27....3D. doi :10.1016/S0169-555X(98)00086-5.