En geoquímica , geofísica y física nuclear , los nucleidos primordiales , también conocidos como isótopos primordiales , son nucleidos que se encuentran en la Tierra y que han existido en su forma actual desde antes de que se formara la Tierra . Los nucleidos primordiales estaban presentes en el medio interestelar a partir del cual se formó el sistema solar, y se formaron durante o después del Big Bang , por nucleosíntesis en estrellas y supernovas seguida de eyección de masa, por espalación de rayos cósmicos y potencialmente a partir de otros procesos. Son los nucleidos estables más la fracción de radionucleidos de larga duración que sobrevivieron en la nebulosa solar primordial a través de la acreción planetaria hasta el presente; se conocen 286 de estos nucleidos.
Los 251 nucleidos estables conocidos , más otros 35 nucleidos que tienen vidas medias lo suficientemente largas como para haber sobrevivido desde la formación de la Tierra, se presentan como nucleidos primordiales. Estos 35 radionucleidos primordiales representan isótopos de 28 elementos separados . El cadmio , el telurio , el xenón , el neodimio , el samario , el osmio y el uranio tienen cada uno dos radioisótopos primordiales (113
Cd
,116
Cd
;128
Te
,130
Te
;124
Xe
,136
Xe
;144
Dakota del Norte
,150
Dakota del Norte
;147
Pequeño
,148
Pequeño
;184
El sistema operativo
,186
El sistema operativo
; y235
tú
,238
tú
).
Porque la edad de la Tierra es4,58 × 10 9 años (4.600 millones de años), la vida media de los nucleidos dados debe ser mayor que aproximadamente10 8 años (100 millones de años) por razones prácticas. Por ejemplo, para un nucleido con vida media6 × 10 7 años (60 millones de años), esto significa que han transcurrido 77 vidas medias, lo que significa que por cada mol (Como en el momento de la formación de la Tierra había 6,02 × 10 23 átomos de ese nucleido, hoy en día sólo quedan 4 átomos.
Los siete nucleidos primordiales de vida más corta (es decir, los nucleidos con las vidas medias más cortas) que se han verificado experimentalmente son87Rb(5,0 × 10 10 años ),187
Re
(4,1 × 10 10 años ),176
Lu
(3,8 × 10 10 años ),232
El
(1,4 × 10 10 años ),238
tú
(4,5 × 10 9 años ),40K(1,25 × 10 9 años ), y235
tú
(7,0 × 10 8 años ).
Estos son los siete nucleidos con vidas medias comparables a, o algo menores que, la edad estimada del universo . ( 87 Rb, 187 Re, 176 Lu y 232 Th tienen vidas medias algo más largas que la edad del universo.) Para una lista completa de los 35 radionucleidos primordiales conocidos, incluyendo los siguientes 28 con vidas medias mucho más largas que la edad del universo, vea la lista completa a continuación. Para propósitos prácticos, los nucleidos con vidas medias mucho más largas que la edad del universo pueden ser tratados como si fueran estables. 87 Rb, 187 Re, 176 Lu, 232 Th y 238 U tienen vidas medias lo suficientemente largas como para que su desintegración esté limitada en escalas de tiempo geológicas; 40 K y 235 U tienen vidas medias más cortas y por lo tanto están severamente agotados, pero aún son lo suficientemente longevos como para persistir significativamente en la naturaleza.
El isótopo de vida más larga que no se ha demostrado que sea primordial [1] es146
Pequeño
, que tiene una vida media de1,03 × 10 8 años , seguido de244
Pu
(8,08 × 10 7 años ) y92
Nótese bien
(3,5 × 10 7 años ). Se informó que el 244 Pu existía en la naturaleza como un nucleido primordial en 1971, [2] pero esta detección no pudo ser confirmada por estudios posteriores en 2012 y 2022. [3] [4]
Teniendo en cuenta que todos estos nucleidos deben existir durante al menos4,6 × 10 9 años , 146 Sm debe sobrevivir 45 vidas medias (y por lo tanto reducirse en 2 45 ≈ 4 × 10 13 ), 244 Pu debe sobrevivir 57 (y reducirse por un factor de 2 57 ≈ 1 × 10 17 ), y 92 Nb deben sobrevivir 130 (y reducirse en 2 130 ≈ 1 × 10 39 ). Matemáticamente, considerando las probables abundancias iniciales de estos nucleidos, el 146 Sm y el 244 Pu primordiales deberían persistir en algún lugar dentro de la Tierra hoy, incluso si no son identificables en la porción relativamente menor de la corteza terrestre disponible para los ensayos humanos, mientras que el 92 Nb y todos los nucleidos de vida más corta no deberían. Los nucleidos como el 92 Nb que estaban presentes en la nebulosa solar primordial pero que se han desintegrado por completo hace mucho tiempo se denominan radionucleidos extintos si no tienen otros medios de regenerarse. [5] En cuanto al 244 Pu, los cálculos sugieren que a partir de 2022, los límites de sensibilidad estaban a aproximadamente un orden de magnitud de detectarlo como un nucleido primordial. [4]
Debido a que los elementos químicos primordiales suelen estar compuestos por más de un isótopo primordial, solo existen 83 elementos químicos primordiales distintos . De estos, 80 tienen al menos un isótopo observablemente estable y tres elementos primordiales adicionales tienen solo isótopos radiactivos ( bismuto , torio y uranio).
Algunos isótopos inestables que se encuentran en la naturaleza (como14do,3yo, y239
Pu
) no son primordiales, ya que deben regenerarse constantemente. Esto ocurre por la radiación cósmica (en el caso de los nucleidos cosmogénicos como14
do
y3
yo
), o (raramente) por procesos como la transmutación geonuclear ( captura de uranio por neutrones en el caso de237
Notario público
y239
Pu
). Otros ejemplos de nucleidos naturales comunes pero no primordiales son los isótopos de radón , polonio y radio , que son todos nucleidos radiogénicos hijos de la desintegración del uranio y se encuentran en los minerales de uranio. El isótopo estable de argón 40 Ar es en realidad más común como nucleido radiogénico que como nucleido primordial, formando casi el 1% de la atmósfera de la Tierra , que se regenera por la desintegración beta del isótopo primordial radiactivo de vida extremadamente larga 40 K , cuya vida media es del orden de mil millones de años y por lo tanto ha estado generando argón desde el principio de la existencia de la Tierra. (El argón primordial estaba dominado por el nucleido de proceso alfa 36 Ar, que es significativamente más raro que el 40 Ar en la Tierra).
Una serie radiogénica similar se deriva del nucleido primordial radiactivo de larga vida 232 Th . Estos nucleidos se describen como geogénicos, lo que significa que son productos de desintegración o fisión del uranio u otros actínidos en rocas del subsuelo. [6] Todos estos nucleidos tienen vidas medias más cortas que sus nucleidos primordiales radiactivos progenitores. Algunos otros nucleidos geogénicos no se producen en las cadenas de desintegración de 232 Th, 235 U o 238 U, pero aún pueden aparecer fugazmente de forma natural como productos de la fisión espontánea de uno de estos tres nucleidos de larga vida, como 126 Sn , que constituye alrededor de 10 −14 de todo el estaño natural . [7] También se ha detectado otro, 99 Tc . [8] Hay otros cinco productos de fisión de larga vida conocidos.
Un elemento primordial es un elemento químico con al menos un nucleido primordial. Existen 251 nucleidos primordiales estables y 35 nucleidos primordiales radiactivos, pero sólo 80 elementos primordiales estables —del hidrógeno al plomo, números atómicos del 1 al 82, con las excepciones del tecnecio (43) y el prometio (61)— y tres elementos primordiales radiactivos —bismuto (83), torio (90) y uranio (92). Si el plutonio (94) resulta ser primordial (específicamente, el isótopo de larga vida 244 Pu), entonces sería un cuarto primordial radiactivo, aunque prácticamente hablando todavía sería más conveniente producirlo sintéticamente. La vida media del bismuto es tan larga que a menudo se lo clasifica con los 80 elementos primordiales estables, ya que su radiactividad no es motivo de preocupación grave. El número de elementos es menor que el número de nucleidos, porque muchos de los elementos primordiales están representados por múltiples isótopos . Ver elemento químico para más información.
Como se ha señalado, son unos 251. Para consultar una lista, véase el artículo Lista de elementos por estabilidad de isótopos . Para consultar una lista completa que indique cuáles de los 251 nucleidos "estables" pueden ser inestables en algún sentido, véase Lista de nucleidos y nucleido estable . Estas preguntas no afectan a la cuestión de si un nucleido es primordial, ya que todos los nucleidos "casi estables", con vidas medias más largas que la edad del universo, también son primordiales.
Aunque se estima que unos 35 nucleidos primordiales son radiactivos (lista a continuación), resulta muy difícil determinar el número total exacto de nucleidos primordiales radiactivos, porque el número total de nucleidos estables es incierto. Existen muchos nucleidos de vida extremadamente larga cuyas vidas medias aún se desconocen; de hecho, todos los nucleidos más pesados que el disprosio-164 son teóricamente radiactivos. Por ejemplo, se predice teóricamente que todos los isótopos del tungsteno , incluidos aquellos que incluso los métodos empíricos más modernos indican que son estables, deben ser radiactivos y pueden desintegrarse por emisión alfa , pero a partir de 2013 [update]esto solo se pudo medir experimentalmente para180
Yo
. [9] De manera similar, se espera que los cuatro isótopos primordiales del plomo se desintegren en mercurio , pero las vidas medias predichas son tan largas (algunas superan los 10 100 años) que tales desintegraciones difícilmente podrían observarse en el futuro cercano. Sin embargo, el número de nucleidos con vidas medias tan largas que no pueden medirse con los instrumentos actuales (y que, desde este punto de vista, se consideran nucleidos estables ) es limitado. Incluso cuando se descubre que un nucleido "estable" es radiactivo, simplemente pasa de la lista de nucleidos primordiales estables a la de inestables , y el número total de nucleidos primordiales permanece inalterado. Para fines prácticos, estos nucleidos pueden considerarse estables para todos los fines fuera de la investigación especializada. [ cita requerida ]
Estos 35 nucleidos primordiales representan radioisótopos de 28 elementos químicos distintos (cadmio, neodimio, osmio, samario, telurio, uranio y xenón tienen cada uno dos radioisótopos primordiales). Los radionucleidos se enumeran en orden de estabilidad, comenzando la lista con el de vida media más larga. Estos radionucleidos en muchos casos son tan estables que compiten por la abundancia con isótopos estables de sus respectivos elementos. En el caso de tres elementos químicos, indio , telurio y renio , un nucleido primordial radiactivo de vida muy larga se encuentra en mayor abundancia que un nucleido estable.
El radionúclido de vida más larga conocido, 128 Te, tiene una vida media de2,2 × 10 24 años , que son 160 billones de veces la edad del Universo . Solo cuatro de estos 35 nucleidos tienen vidas medias más cortas o iguales a la edad del universo. La mayoría de los 30 restantes tienen vidas medias mucho más largas. El isótopo primordial de vida más corta, el 235 U, tiene una vida media de 703,8 millones de años, aproximadamente una sexta parte de la edad de la Tierra y del Sistema Solar . Muchos de estos nucleidos se desintegran por desintegración beta doble , aunque algunos como el 209 Bi se desintegran por otros métodos como la desintegración alfa .
Al final de la lista se han añadido dos nucleidos más: el 146 Sm y el 244 Pu. No se ha confirmado que sean primordiales, pero sus vidas medias son lo suficientemente largas como para que en la actualidad persistan cantidades diminutas.
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