Loading article…
地球化学、地球物理学、原子核物理学において、原始核種（原始同位体とも呼ばれる）は、地球が形成される前から現在の形で存在していた地球上の核種である。原始核種は、太陽系が形成された星間物質に存在し、ビッグバンの際またはそれ以降、恒星や超新星での元素合成とそれに続く質量放出、宇宙線の破砕、およびおそらくは他の過程によって形成された。原始核種は、安定核種と、原始太陽系星雲で惑星集積を通じて現在まで 生き残っている放射性核種の長寿命部分であり、286 種類の核種が知られている。
安定性
既知の 251 の安定核種と、地球形成以来生き残るのに十分な半減期を持つ 35 の核種はすべて、原始核種として存在します。これらの 35 の原始放射性核種は、28 の個別の元素の同位体を表します。
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を持っています (113
CD
、116
CD
;128
テ
、130
テ
;124
ゼ
、136
ゼ
;144
nd
、150
nd
;147
小
、148
小
;184
オス
、186
オス
; そして235
あなた
、238
あなた
）。
地球の年齢は4.58 × 10 9 年（46億年）であるため、与えられた核種の半減期は約実用上は10 8 年（1億年）である。例えば、半減期が6 × 10 7 年（6000万年）は、半減期の77倍が経過したことを意味します。つまり、1モルあたり（地球の形成時にはその核種（ 6.02 × 10 23 原子）が存在していましたが、現在残っているのは 4 原子だけです。
実験的に検証された最も短寿命の原始核種（すなわち、半減期が最も短い核種）7つは、87
ルビー
（5.0 × 10 10 年)、187
再
（4.1 × 10 10 年）、176
ルー
（3.8 × 10 10 年）、232
の
（1.4 × 10 10 年）、238
あなた
（4.5 × 10 9 年）、40
け
（1.25 × 10 9 年）、および235
あなた
（7.0 × 10 8 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。) 半減期が宇宙の年齢よりはるかに長い次の 28 種を含む、既知の 35 種の原始放射性核種の完全なリストについては、以下の完全なリストを参照してください。実用上、半減期が宇宙の年齢よりはるかに長い核種は、安定しているものとして扱うことができます。87 Rb、187 Re、176 Lu、232 Th、および238 U の半減期は十分に長いため、その崩壊は地質学的時間スケールに限定されています。40 Kと235 U は半減期が短いため大幅に減少していますが、それでも自然界で有意に残存するのに十分な長寿命です。
原始的であることが証明されていない最も長寿命の同位体[1]は146
小
、半減期は1.03 × 10 8 年、その後244
プ
（8.08 × 10 7 年）と92
いいえ
（244 Puは1971 年に原始核種として自然界に存在することが報告されたが[2]、2012年と2022年のさらなる研究ではこの検出は確認されなかった[ 3 ] [4]。
これらの核種は少なくとも4.6 × 10 9 年、146 Sm は 45 の半減期を生き延びなければならない（したがって 2 45 ≈ 減少する）。4 × 10 13）、244 Puは57（そして2 57 ≈ 1/2に減少する）まで生き残らなければならない。1 × 10 17）、そして92 Nbは130まで生き残らなければならない（そして2 130 ≈ 1 × 10 39）。数学的には、これらの核種の初期の存在量を考慮すると、原始的な146 Sm と244 Pu は、人間の分析で確認できる地殻の比較的小さな部分では識別できないとしても、今日でも地球内のどこかに残っているはずですが、92 Nb とすべての短寿命核種はそうではありません。原始太陽系星雲に存在していたが、ずっと前に完全に崩壊した92 Nb などの核種は、再生する手段が他にない場合、絶滅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 年の時点で、感度限界は原始核種として検出できるまで約 1 桁離れていることが示唆されています。[4]
原始化学元素は複数の原始同位体から構成されることが多いため、異なる原始化学元素は83 種類しかありません。これらのうち 80 種類は少なくとも 1 つの観測的に安定した同位体を持ち、さらに 3 種類の原始元素は放射性同位体 (ビスマス、トリウム、ウラン) のみを持ちます。
原始的ではない天然核種
自然界に存在する不安定同位体（例えば14
Ｃ
、3
H
、 そして239
プ
）は、宇宙線によって絶えず再生されるため、原始的なものではない（宇宙線生成核種の場合、14
Ｃ
そして3
H
）、または（まれに）地核変換（ウランの中性子捕獲）などのプロセスによって237
いいえ
そして239
プ
）。天然に存在するが原始核種ではない一般的な他の例としては、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崩壊によって生成された放射性核種の娘核種であり、ウラン鉱石中に見つかります。安定したアルゴン同位体40 Ar は、実際には原始核種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% を形成しています。大気は、半減期が約 10 億年である極めて長寿命の放射性原始同位体40 Kのベータ崩壊によって再生され、そのため地球存在の初期からアルゴンを生成しています。（原始アルゴンは、地球上で40 Arよりも大幅に希少なアルファ過程核種36 Ar によって支配されていました。）
同様の放射性起源系列は、長寿命放射性始原核種232 Thから派生している。これらの核種は地質起源と説明されており、地下岩石中のウランや他のアクチニドの崩壊または核分裂生成物である。[6]このような核種はすべて、親の放射性始原核種よりも半減期が短い。その他の地質起源核種は、232 Th、235 U、または238 Uの崩壊系列には現れないが、これら 3 つの長寿命核種のいずれかの自発核分裂の生成物として、自然界に瞬間的に発生することがある。例えば、天然スズ全体の約 10 −14を占める126 Snなどである。[7]他に99 Tcも検出されている。[8]他に 5 つの長寿命核分裂生成物が知られている。
原始元素
原始元素は、少なくとも 1 つの原始核種を持つ化学元素です。安定した原始核種は 251 種類、放射性の原始核種は 35 種類ありますが、安定した原始元素は80 種類 (原子番号 1 から 82 の水素から鉛まで、テクネチウム(43) とプロメチウム(61)を除く)、放射性の原始元素は 3 種類(ビスマス (83)、トリウム (90)、ウラン (92)) しかありません。プルトニウム (94) が原始元素 (具体的には長寿命同位体244 Pu) であることが判明した場合、これは 4 番目の放射性原始元素になりますが、実際には合成で生成する方が便利です。ビスマスの半減期は非常に長いため、放射能が深刻な懸念の原因にはならないため、代わりに 80 種類の安定した原始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くなります。これは、原始元素の多くが複数の同位体によって表されるためです。詳細については、 化学元素を参照してください。
天然に存在する安定核種
前述のように、これらの数は約 251 です。リストについては、記事「同位体の安定性による元素のリスト」を参照してください。「安定した」251 核種のうち、どの核種が何らかの点で不安定であるかを示す完全なリストについては、核種のリストと安定した核種を参照してください。これらの質問は、核種が原始的であるかどうかという質問には影響しません。なぜなら、半減期が宇宙の年齢よりも長い「ほぼ安定した」核種はすべて原始的だからです。
放射性原始核種
約35の原始核種が放射性であると推定されていますが（以下のリスト）、安定核種の総数は不明であるため、放射性原始核種の正確な総数を決定することは非常に困難です。半減期がまだ不明な非常に長寿命の核種が多数存在し、実際、ジスプロシウム164より重い核種はすべて理論的に放射性です。たとえば、タングステンの同位体はすべて、最新の経験的方法でさえ安定であると示されているものも含めて、放射性であり、アルファ放出によって崩壊するはずであると理論的に予測されていますが、2013年時点では、[update]これは実験的に測定できるのは180
わ
[9]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るが、予測される半減期は非常に長い（10, 100年を超えるものもある）ため、近い将来にそのような崩壊が観測されることはほとんどないだろう。しかし、現在の機器では測定できないほど長い半減期を持つ核種の数（この観点から安定核種と見なされる）は限られている。「安定」核種が放射性であることが判明した場合でも、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動するだけで、原始核種の総数は変わらない。実用上、これらの核種は専門的な研究以外ではあらゆる目的で安定していると考えられる。[要出典]
35 種類の放射性原始核種と測定された半減期のリスト
これら 35 の原始核種は、28 の異なる化学元素の放射性同位体を表します (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 つの原始放射性同位体があります)。放射性核種は安定性の順にリストされており、最長の半減期のものがリストの先頭にあります。これらの放射性核種は多くの場合ほぼ安定しているため、それぞれの元素の安定同位体と存在量を競います。インジウム、テルル、レニウムの3 つの化学元素については、非常に長寿命の放射性原始核種が、安定した核種よりも多く存在しています。
最も長寿命の放射性核種として知られる128 Teの半減期は2.2 × 10 24 年で、これは宇宙の年齢の160 兆倍に相当します。これら 35 の核種のうち、半減期が宇宙の年齢と同じかそれより短いのは 4 つだけです。残りの 30 のほとんどは、それよりはるかに長い半減期を持っています。最も半減期の短い原始同位体である235 U の半減期は 7 億 380 万年で、これは地球と太陽系の年齢の約 6 分の 1 に相当します。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。
リストの最後には、146 Sm と244 Pu の 2 つの核種が追加されました。これらは原始的なものとして確認されていませんが、半減期が十分に長いため、微量であれば現在も存在するはずです。
リストの凡例
- 番号
- 参照用の正の整数。現在安定と分類されているが、理論的には不安定であると予測されている核種が 251 個あるため ( 「安定核種 § まだ観測されていない崩壊」を参照)、これらの数字は将来若干変わる可能性があります。そのため、将来の実験で、実際に不安定な核種がいくつかあることが示される可能性があります。この数字は、観測的に安定した 251 個の核種に続いて 252 から始まります。
- 核種
- 核種の識別子は、質量数Aと対応する化学元素の記号（固有の陽子番号を意味する）によって与えられます。
- エネルギー
- この核種の平均核子の質量を中性子の質量に相対的に表したもの（したがって、すべての核種は正の値になります）、単位はMeV /c 2、正式にはm n − m nuclide / Aです。
- 人生の半分
- すべての時間は年単位で示されます。
- 減衰モード
- 崩壊エネルギー
- MeV単位の (最大) 崩壊エネルギーの複数の値が、その順序で崩壊モードにマッピングされます。
参照
参考文献
- ^ Samir Maji; et al. (2006). 「サマリウムとネオジムの分離：原子核合成から信号を得るための前提条件」. Analyst . 131 (12): 1332–1334. Bibcode :2006Ana...131.1332M. doi :10.1039/b608157f. PMID 17124541.
- ^ Hoffman, DC; Lawrence, FO; Mewherter, JL; Rourke, FM (1971). 「自然界におけるプルトニウム244の検出」. Nature . 234 (5325): 132–134. Bibcode :1971Natur.234..132H. doi :10.1038/234132a0. S2CID 4283169.
- ^ Lachner, J.; et al. (2012). 「地球上で原始 244 Puを検出する試み」. Physical Review C . 85 (1): 015801. Bibcode :2012PhRvC..85a5801L. doi :10.1103/PhysRevC.85.015801.
- ^ ab 呉、楊;ダイ、シオンシン。シン、シャン。ルオ、マオイ。クリスル、マーカス。シナル、ハンス・アルノ。ホウ・シャオチュン（2022）。 「バヤン・オボ・バストネサイトにおける原始244Puの直接探索」。中国語の化学文字。33 (7): 3522–3526。土井：10.1016/j.cclet.2022.03.036 。2024 年1 月 29 日に取得。
- ^ PK黒田（ 1979年）。「元素の起源：フェルミ原子炉以前と自然界のプルトニウム244」。化学研究報告。12 （2）：73-78。doi ：10.1021/ar50134a005。
- ^クラーク、イアン（2015）。地下水の地球化学と同位体。CRC プレス。p.118。ISBN 9781466591745. 2020年7月13日閲覧。
- ^ H.-T. Shen; et al. 「AMSによる126Snの測定に関する研究」(PDF) accelconf.web.cern.ch。2017年11月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年2月6日閲覧。
- ^ David Curtis、 June Fabryka-Martin、Paul Dixon、Jan Cramer (1999)、「自然の珍しい元素: プルトニウムとテクネチウム」、Geochimica et Cosmochimica Acta、63 (2): 275–285、Bibcode :1999GeCoA..63.. 275C、土井:10.1016/S0016-7037(98)00282-8
{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ 「核種のインタラクティブチャート（Nudat2.5）」国立核データセンター。 2009年6月22日閲覧。
- ^ abc Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). 「NUBASE2020による核特性の評価」（PDF） . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.