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地球化学、地球物理学、原子核物理学において、原始核種または原始同位体とは、地球が形成される前から現在の形で存在してきた地球上に存在する核種のことである。原始核種は、太陽系が形成された星間物質中に存在し、ビッグバン、恒星や超新星における核合成とその後の質量放出、宇宙線による核破砕、あるいは宇宙の歴史を通じて他のプロセスによって形成された。これらは安定核種と、原始太陽星雲から惑星形成を経て現在まで生き残った長寿命放射性核種の一部であり、そのような核種は286種類知られている。
既知の251の安定核種すべてに加え、地球形成時から存在し続けるのに十分な半減期を持つ35の核種が原始核種として存在する。これらの35の原始放射性核種は、28の異なる元素の同位体である。カドミウム、テルル、キセノン、ネオジム、サマリウム、オスミウム、ウランはそれぞれ2つの原始放射性同位体（113）を持つ。 Cd、 116Cd ; 128Te、 130Te ; 124Xe、 136Xe ; 144Nd、 150Nd ; 147Sm、 148Sm ; 184オス、 186オス、そして235U、 238U )
地球の年齢は4.58 × 10⁹年 (45億8000万年) より、与えられた核種の半減期は約 4.58 × 10⁹年 (45億8000万年) より長くなければならない。実用的な検出には10⁸年 （1億年）かかる。例えば、半減期が10⁸年の核種の場合6 × 10⁷年 (6000 万年)、これは 77 回の半減期が経過したことを意味し、 つまり 1モルあたり( 地球形成時にはその核種の原子が6.02 × 10 23個存在していたが、今日ではその原子は 4 個しか残っていない。
原始核種として検出された最も寿命の短い7つの核種（すなわち、半減期が最も短い核種）は87である。Rb (4.92 × 10 10 年)、187再（4.12 × 10 10 年)、176ル（3.70 × 10 10 年) 232Th (1.40 × 10 10 年)、238U（4.46 × 10⁹年 ）、40K（1.25 × 10⁹年 ）、および235U（7.04 × 10⁸年 ）。
これらは、半減期が宇宙の推定年齢と同程度か、やや短い7つの核種です。（87 Rb、187 Re、176 Lu、および232 Thの半減期は、宇宙の年齢よりやや長いです。）実際的な目的のために、半減期が宇宙の年齢よりはるかに長い核種は、安定しているかのように扱うことができます。87 Rb、187 Re、176 Lu、232 Th、および238 Uは、半減期が十分に長いため、地質学的時間スケールでは崩壊が制限されます。40 Kと235 Uは半減期が短いため、著しく枯渇していますが、それでも地球上にかなりの量が存在するのに十分なほど長寿命です。
原始的であると証明されていない最長寿命の同位体は146である[ 1 ]Smの半減期は9.20 × 10⁷年 、続いて244プー（8.13 × 10 7 年）と92Nb (3.47 × 10 7 年）。244 Puは1971 年に原始核種として自然界に存在すると報告されましたが、[ 2 ]、この検出は 2012 年と 2022 年のさらなる研究によって確認されませんでした。[ 3 ] [ 4 ]
これらの核種はすべて少なくとも4.58 × 10⁹年 、146 Smは50 回の半減期を生き延びなければならず (したがって 2 50 ≈ 10⁹年) 1 × 10 15 )、244 Pu は 57 を生き残らなければならない (そして 2 分の57 ≈ に減少する) 1 × 10 17 )、そして92 Nb は 130 を生き残らなければならない (そして 2 130 ≈減少する ) 1 × 10 39 )。数学的には、これらの核種の初期存在量を考慮すると、原始的な146 Sm と244 Pu は、人間の分析が可能な地球の地殻の比較的小さな部分では識別できないとしても、今日でも地球のどこかに存在しているはずですが、92 Nb とすべての短寿命核種は存在しないはずです。原始太陽星雲に存在していたが、ずっと前に完全に崩壊してしまった92 Nb などの核種は、再生する他の手段がない場合、消滅した放射性核種と呼ばれます。 [ 5 ] 244 Puに関しては、計算によると、2022 年時点では、感度限界が原始核種として検出できるレベルから約 1 桁離れていました。[ 4 ]
原始的な化学元素は複数の同位体から構成されることが多いため、明確に区別できる原始的な化学元素は83種類しかない。これらのうち、80種類は少なくとも1つの観測的に安定な同位体を持ち、残りの3種類（ビスマス、トリウム、ウラン）は放射性同位体のみを持つ。
自然界に存在する不安定な同位体（例えば14）C、 3H、および239プルトニウム(Pu )は原始核種ではなく、常に再生されなければなりません。これは宇宙線によって起こります( 14Puなどの宇宙線生成核種の場合)Cと3H）、または（まれに）核変換（237の場合、ウランによる中性子捕獲）などのプロセスによってNpと239プルトニウム(Pu ) など、自然界に広く存在するが原始核種ではない一般的な核種の例としては、ラドン、ポロニウム、ラジウムの同位体があり、これらはすべてウランの崩壊によって生じる放射性娘核種で、ウラン鉱石中に見られます。安定同位体であるアルゴン40 Ar は、原始核種としてよりも放射性核種としての方が一般的で、地球の大気のほぼ 1% を占めています。これは、半減期が 10 億年程度と極めて長い放射性原始同位体40 Kの電子捕獲崩壊によって生成され、地球誕生初期からアルゴンを生成し続けています。 （原始アルゴンはアルファ過程核種である36 Ar が主体で、地球上では40 Arよりかなり希少である。）また、放射性元素の古典的な崩壊系列は、長寿命の放射性原始核種である232 Th、235 U、および238 Uに由来する。
これらの核種は地質起源核種と呼ばれ、地下岩石中のウランまたはその他のアクチニドの崩壊または核分裂生成物であることを意味します。[ 6 ]これらの核種はすべて、親となる放射性原始核種よりも半減期が短いです。他の地質起源核種の中には、これら3つの長寿命核種の1つの自発核分裂生成物として自然に存在するものもあります。例えば、 126Snは、約126Snを占めています。天然スズの10 −12パーセントを占める。[ 7 ]また、99 Tcも検出されており、[ 8 ]他にも 5 つの長寿命核分裂生成物が知られている。
原始元素とは、少なくとも1つの原始核種を持つ化学元素のことです。安定な原始核種は251種類、放射性原始核種は35種類ありますが、安定な原始元素は80種類（水素から鉛まで、原子番号1から82、ただしテクネチウム（43）とプロメチウム（61）を除く）と、放射性原始元素は3種類（ビスマス（83）、トリウム（90）、ウラン（92））のみです。プルトニウム（94）が原始元素（具体的には長寿命同位体244Pu）であることが判明すれば、4番目の放射性原始元素となりますが、実際には合成で製造する方がより便利です。ビスマスの半減期は非常に長いため、放射能が問題にならないことから、80種類の安定元素に分類されることがよくあります。元素の数は核種の数よりも少ない。これは、多くの原始元素が複数の同位体で表されているためである。詳しくは「化学元素」の項を参照のこと。
前述のとおり、この数は約251です。一覧については、 「同位体の安定性による元素一覧」の記事を参照してください。251個の「安定」核種のうち、何らかの点で不安定である可能性のある核種を記載した完全な一覧については、「核種一覧」および「安定核種」を参照してください。これらの疑問は、核種が原始的であるかどうかという問題には影響しません。なぜなら、半減期が宇宙の年齢よりも長い「ほぼ安定」な核種はすべて原始的でもあるからです。
約 35 の原始核種が放射性であると推定されていますが(核種のリストを参照)、半減期がまだ不明な極めて長寿命の核種が多数あるため、放射性原始核種の正確な数を決定することは非常に困難です。実際、ジスプロシウム 164より重いすべての核種は理論的に放射性です。[ 9 ]例えば、最も最新の経験的方法によって安定であると示されているものも含め、タングステンのすべての同位体はアルファ崩壊に対して放射性であると理論的に予測されていますが、これは180Wについてのみ実験的に検出できます。[ 10 ]同様に、鉛の4 つの原始同位体はすべて水銀に崩壊すると予想されていますが、予測される半減期は非常に長いため (10 100年を超えるものもある)、近い将来にそのような崩壊を観測することはほとんど不可能です。しかしながら、現在の測定機器では半減期が長すぎて測定できない核種（この観点からは安定核種とみなされる）の数は限られている。たとえ「安定」核種が放射性であることが判明したとしても、それは単に原始核種の安定リストから不安定リストに移るだけであり、原始核種の総数は変わらない。実際的な目的においては、通常の手段では放射能を検出できないこのような核種は、専門的な研究以外のあらゆる目的において安定核種とみなすことができる。
これら35種類の原始放射性核種は、28種類の元素の同位体です（カドミウム、ネオジム、オスミウム、サマリウム、テルル、ウラン、キセノンにはそれぞれ2種類の原始放射性同位体があります）。これらの核種は、安定性の高い順に並べられています。その多くは安定度が非常に高いため、それぞれの元素の安定同位体と存在量を競い合っています。実際、3つの元素（インジウム、テルル、レニウム）については、非常に長寿命の放射性原始核種が安定核種よりも多く存在します。
既知の放射性核種の中で最も寿命が長い128Teの半減期は7.5 × 10 24 年: これは宇宙の年齢の5.5 × 10 14倍。これら 35 種の核種のうち、半減期が宇宙の年齢より短いか、ほぼ等しいのは 4 種だけです。残りの 30 種のほとんどは、半減期がはるかに長くなっています。最も半減期の短い原始核種である235 U の半減期は 7 億 400 万年で、地球と太陽系の年齢の約 15% です。これらの核種の多くは二重ベータ崩壊で崩壊しますが、209 Biのようにアルファ崩壊などの他の方法で崩壊するものもあります。
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