nucleido primordial

En geoquímica , geofísica y física nuclear , los nucleidos primordiales , o isótopos primordiales , son nucleidos presentes en la Tierra que han existido en su forma actual desde antes de su formación . Estos nucleidos estaban presentes en el medio interestelar a partir del cual se formó el Sistema Solar , y se originaron en el Big Bang , mediante nucleosíntesis en estrellas y supernovas seguida de eyección de masa, por espalación de rayos cósmicos o a través de otros procesos a lo largo de la historia del universo. Son los nucleidos estables más la fracción de radionucleidos de larga vida que sobrevivieron desde la nebulosa solar primordial, pasando por la acreción planetaria , hasta la actualidad; se conocen 286 de estos nucleidos.

Todos 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 diferentes . El cadmio , el telurio , el xenón , el neodimio , el samario , el osmio y el uranio tienen cada uno dos radioisótopos primordiales ( ¹¹³Cd , ¹¹⁶Cd ; ¹²⁸Te , ¹³⁰Te ; ¹²⁴Xe , ¹³⁶Xe ; ¹⁴⁴Nd , ¹⁵⁰Nd ; ¹⁴⁷Sm , ¹⁴⁸Sm ; ¹⁸⁴Os , ¹⁸⁶Os ; y ²³⁵U , ²³⁸U ).

Porque la edad de la Tierra es4,58 × 10 ⁹  años (4,58 mil millones de años), la vida media de los nucleidos dados debe ser mayor que aproximadamente10⁸ años ( ¹⁰⁰  millones de años) para una detectabilidad práctica. Por ejemplo, para un nucleido con una vida media de6 × 10 ⁷  años (60 millones de años), esto significa que  han transcurrido 77 vidas medias, lo que significa que por cada mol (^De los 6,02 × 10²³ átomos  de ese nucleido presentes en la formación de la Tierra, hoy solo quedan 4 átomos.

Los siete nucleidos primordiales de vida más corta (es decir, los nucleidos con las vidas medias más cortas) que se detectaron como primordiales son ⁸⁷Rb (4,92 × 10 ¹⁰  años ), ¹⁸⁷Re (4,12 × 10 ¹⁰  años ), ¹⁷⁶Lu (3,70 × 10 ¹⁰  años ), ²³²El (1,40 × 10 ¹⁰  años ), ²³⁸U (4,46 × 10⁹ ^años  ) , ⁴⁰K (1,25 × 10⁹ ^años  ) , y ²³⁵U (7,04 × 10⁸ ^años  ) .

Estos son los siete nucleidos con vidas medias comparables o ligeramente inferiores a la edad estimada del universo . ( ^87Rb , ^187Re , ^176Lu y ^232Th tienen vidas medias algo mayores que la edad del universo). A efectos prácticos, los nucleidos con vidas medias mucho mayores que la edad del universo pueden tratarse como si fueran estables. ^87Rb , ^187Re , ^176Lu , ^232Th y ^238U tienen vidas medias lo suficientemente largas como para que su desintegración esté limitada en escalas de tiempo geológicas; ^40K y ^235U tienen vidas medias más cortas y, por lo tanto, están muy agotados, pero aún son lo suficientemente longevos como para permanecer presentes en cantidades significativas en la Tierra.

El isótopo de mayor duración que no se ha demostrado que sea primordial ^{[ 1 ]} es ^{el 146}Sm , que tiene una vida media de9,20 × 10 ⁷  años , seguido de ²⁴⁴Pu (8,13 × 10 ⁷  años ) y ⁹²Nb (3,47 × 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 menos4,58 × 10 ⁹  años , ¹⁴⁶ Sm debe sobrevivir 50 vidas medias (y por lo tanto ser reducido por 2 ⁵⁰  ≈ 1 × 10 ¹⁵ ), ²⁴⁴ Pu debe sobrevivir 57 (y ser reducido por un factor de 2 ⁵⁷  ≈ 1 × 10 ¹⁷ ), y ⁹² Nb deben sobrevivir 130 (y ser reducidos por 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 pequeña 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 estuvieron presentes en la nebulosa solar primordial pero que hace mucho tiempo se desintegraron por completo se denominan radionucleidos extintos si no tienen otro medio de ser regenerados. ^{[ 5 ]} En cuanto al ²⁴⁴ Pu, los cálculos sugieren que, a partir de 2022, los límites de sensibilidad estaban aproximadamente a un orden de magnitud de distancia de detectarlo como un nucleido primordial. ^{[ 4 ]}

Debido a que los elementos químicos primordiales suelen constar de más de un isótopo primordial , solo existen 83 elementos químicos primordiales distintos . De estos, 80 tienen al menos un isótopo estable observable y tres elementos primordiales adicionales tienen únicamente isótopos radiactivos ( bismuto , torio y uranio).

Algunos isótopos inestables que se producen de forma natural (como ^{el 14}C , ³H y ²³⁹Los Pu ) no son primordiales, ya que deben regenerarse constantemente. Esto ocurre por radiación cósmica (en el caso de nucleidos cosmogénicos como ^{el 14}C y ³H ), o (raramente) por procesos tales como la transmutación geonuclear ( captura de neutrones por uranio en el caso del ²³⁷Np y ²³⁹Pu ). Otros ejemplos de nucleidos comunes que ocurren naturalmente pero no primordiales son los isótopos de radón , polonio y radio , que son todos hijos radiogénicos 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 terrestre , que se genera por la desintegración por captura electrónica 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 los inicios de la existencia de la Tierra. (El argón primordial estaba dominado por el nucleido del proceso alfa ³⁶ Ar, ​​que es significativamente más raro que ^{el 40} Ar en la Tierra). Y las cadenas de desintegración clásicas de los elementos radiogénicos derivan de los nucleidos primordiales radiactivos de larga vida ²³² Th , ²³⁵ U y ²³⁸ U.

Estos nucleidos se describen como geogénicos , lo que significa que son productos de desintegración o fisión del uranio u otros actínidos en rocas subterráneas. ^{[ 6 ]} Todos estos nucleidos tienen vidas medias más cortas que sus nucleidos primordiales radiactivos progenitores. Algunos otros nucleidos geogénicos se producen de forma natural como productos de la fisión espontánea de uno de estos tres nucleidos de larga vida, como el 126Sn ^, que constituye aproximadamente10 ⁻¹² por ciento de todo el estaño natural . ^{[ 7 ]} También se ha detectado otro, ⁹⁹ Tc , ^{[ 8 ]} y se conocen otros cinco productos de fisión de larga duración .

Un elemento primordial es un elemento químico con al menos un nucleido primordial. Existen 251 nucleidos primordiales estables y 35 nucleidos primordiales radiactivos, pero solo 80 elementos primordiales estables —desde el hidrógeno hasta el plomo, con números atómicos del 1 al 82, excepto el tecnecio (43) y el prometio (61)— y tres elementos primordiales radiactivos : bismuto (83), torio (90) y uranio (92). Si el plutonio (94) resultara ser primordial (específicamente, el isótopo de larga vida ^244Pu ), entonces sería un cuarto primordial radiactivo, aunque en la práctica seguiría siendo más conveniente producirlo sintéticamente. La vida media del bismuto es tan larga que a menudo se clasifica con los 80 elementos estables, ya que su radiactividad no es motivo de preocupación. El número de elementos es menor que el número de nucleidos, porque muchos de los elementos primordiales están representados por múltiples isótopos . Véase elemento químico para más información.

Como se ha señalado, este número ronda los 251. Para consultar la lista, véase el artículo « Lista de elementos por estabilidad de isótopos ». Para obtener una lista completa que indique cuáles de los 251 nucleidos «estables» pueden ser inestables, véase « Lista de nucleidos y nucleidos estables ». Estas cuestiones no afectan a la cuestión de si un nucleido es primordial, puesto que todos los nucleidos «casi estables», con vidas medias superiores a la edad del universo, también son primordiales.

Aunque se estima que unos 35 nucleidos primordiales son radiactivos (véase la lista de nucleidos ), es muy difícil determinar el número exacto de primordiales radiactivos, ya que hay muchos nucleidos de vida extremadamente larga cuyos periodos de semidesintegración aún se desconocen; de hecho, todos los nucleidos más pesados ​​que el disprosio-164 son teóricamente radiactivos. ^{[ 9 ]} Por ejemplo, se predice teóricamente que todos los isótopos de tungsteno , incluidos aquellos indicados incluso por los métodos empíricos más modernos como estables, deben ser radiactivos a la desintegración alfa , pero esto se puede detectar experimentalmente solo para el ¹⁸⁰ W. ^{[ 10 ]} De manera similar, se espera que los cuatro isótopos primordiales de plomo se desintegren en mercurio , pero los periodos de semidesintegración predichos son tan largos (algunos superan los 10 ¹⁰⁰ años) que tales desintegraciones difícilmente podrían observarse en un 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 estables a la de nucleidos primordiales inestables , y el número total de nucleidos primordiales permanece inalterado. A efectos prácticos, estos nucleidos, cuya radiactividad no es detectable por medios ordinarios, pueden considerarse estables para todos los fines fuera de la investigación especializada.

Estos 35 radionúclidos primordiales son isótopos de 28 elementos (cadmio, neodimio, osmio, samario, telurio, uranio y xenón tienen cada uno dos radioisótopos primordiales). Estos nucleidos se enumeran en orden decreciente de estabilidad. Muchos de ellos son tan estables que compiten en abundancia con los isótopos estables de sus respectivos elementos; de hecho, para tres elementos ( indio , telurio y renio ), un nucleido primordial radiactivo de vida muy larga es más abundante que un nucleido estable.

El radionúclido de vida más larga conocido, ^{el 128Te} , tiene una vida media de7,5 × 10 ²⁴  años : esto es5,5 × 10 ¹⁴ veces la edad del Universo . Solo cuatro de estos 35 nucleidos tienen vidas medias más cortas que, o casi iguales a, la edad del universo. La mayoría de los otros 30 tienen vidas medias mucho más largas. El primordial de vida más corta, ²³⁵ U, tiene una vida media de 704 millones de años, aproximadamente el 15% de la edad de la Tierra y el Sistema Solar . Muchos de estos nucleidos se desintegran por desintegración beta doble , aunque algunos como ²⁰⁹ Bi se desintegran por otros medios como la desintegración alfa .

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