النظير البدائي

في علم الجيوكيمياء والجيوفيزياء والفيزياء النووية ، تُعرف النوى البدائية ، أو النظائر البدائية ، بأنها نوى موجودة على الأرض ، وُجدت بشكلها الحالي منذ ما قبل تكوّن الأرض . كانت هذه النوى موجودة في الوسط بين النجوم الذي تشكّل منه النظام الشمسي ، وتكوّنت في الانفجار العظيم ، من خلال التخليق النووي في النجوم والمستعرات العظمى متبوعًا بانبعاث الكتلة، أو من خلال تفتت الأشعة الكونية ، أو من عمليات أخرى عبر تاريخ الكون. وهي النوى المستقرة بالإضافة إلى جزء من النوى المشعة طويلة العمر التي نجت من السديم الشمسي البدائي مرورًا بتراكم الكواكب حتى الوقت الحاضر؛ ويُعرف منها 286 نواة.

توجد جميع النظائر المستقرة المعروفة البالغ عددها 251 نظيرًا ، بالإضافة إلى 35 نظيرًا آخر لها أعمار نصفية طويلة بما يكفي للبقاء منذ تكوين الأرض، كنظائر بدائية. تمثل هذه النظائر المشعة البدائية الـ 35 نظائر لـ 28 عنصرًا مختلفًا . لكل من الكادميوم والتيلوريوم والزينون والنيوديميوم والساماريوم والأوزميوم واليورانيوم نظيران مشعان بدائيان ( ¹¹³ ) .Cd , ¹¹⁶Cd ; ¹²⁸Te , ¹³⁰Te ; ¹²⁴Xe , ¹³⁶Xe ; ¹⁴⁴Nd ، ¹⁵⁰ند ؛ ¹⁴⁷سم ، ¹⁴⁸سم ؛ ¹⁸⁴أوس ، ¹⁸⁶أوس ؛ و ²³⁵يو ، ²³⁸يو ).

لأن عمر الأرض هو4.58 × 10⁹ سنة ( ^4.58  مليار سنة)، يجب أن يكون عمر النصف للنويدات المذكورة أكبر من حوالي10⁸ سنوات ( ¹⁰⁰  مليون سنة) للوصول إلى إمكانية الكشف العملي. على سبيل المثال، بالنسبة لنظير ذي عمر نصفي6 × 10⁷ سنة ( ⁶⁰  مليون سنة)، وهذا يعني  مرور 77 نصف عمر، مما يعني أنه لكل مول (من بين 6.02 × 10 ²³  ذرة من تلك النظيرة كانت موجودة عند تكوين الأرض، ولم يتبق منها اليوم سوى 4 ذرات.

النظائر البدائية السبعة الأقصر عمراً (أي النظائر ذات أقصر أعمار النصف) التي تم اكتشافها على أنها بدائية هي ⁸⁷Rb (4.92 × 10^ ¹⁰  سنة )، ¹⁸⁷يكرر (4.12 × 10^ ¹⁰  سنة )، ¹⁷⁶لو (3.70 × 10^ ¹⁰  سنة )، ²³²ذ (1.40 × 10^ ¹⁰  سنة )، ²³⁸يو (4.46 × 10⁹ ^سنة  ) ، ⁴⁰ك (1.25 × 10⁹ ^سنة  ) ، و ²³⁵يو (7.04 × 10⁸ ^سنة  ) .

هذه هي النظائر السبعة التي يبلغ عمر النصف لها ما يقارب عمر الكون المقدر أو أقل منه بقليل . ( يبلغ عمر النصف لكل من ^87Rb و ¹⁸⁷ Re و ¹⁷⁶ Lu و ²³² Th أطول بقليل من عمر الكون). ولأغراض عملية، يمكن التعامل مع النظائر التي يبلغ عمر النصف لها أطول بكثير من عمر الكون كما لو كانت مستقرة. يتمتع ^{كل من 87Rb} و ¹⁸⁷ Re و ¹⁷⁶ Lu و ²³² Th و ²³⁸ U بعمر نصف طويل بما يكفي لتقييد تحللها على مدى فترات زمنية جيولوجية؛ أما ^40K و ²³⁵ U فيتمتعان بعمر نصف أقصر، وبالتالي فهما مستنفدان بشدة، لكنهما لا يزالان يتمتعان بعمر نصف طويل بما يكفي للبقاء موجودين بكميات كبيرة على الأرض.

أطول نظير عمراً لم يثبت أنه بدائي ^{[ 1 ]} هو ¹⁴⁶Sm ، الذي يبلغ عمر النصف له9.20 × 10⁷ ^سنوات  ، تليها ²⁴⁴بو (8.13 × 10⁷ ^سنوات  ) و ⁹²ملاحظة (3.47 × 10⁷ سنة  ). أُفيد بوجود البلوتونيوم ^-244 في الطبيعة كنويدة بدائية في عام 1971، ^{[ 2 ]} ولكن لم يتم تأكيد هذا الاكتشاف من خلال دراسات أخرى في عامي 2012 و2022 ^{. [ 3 ] [ 4 ]}

مع الأخذ في الاعتبار أن جميع هذه النظائر يجب أن توجد لمدة لا تقل عن4.58 × 10⁹ ^سنة  ، يجب أن يبقى عنصر السماريوم ^-146 حيًا لمدة 50 نصف عمر (وبالتالي ينخفض ​​بمقدار 2 ⁵⁰  ≈ 1 × 10 ¹⁵ )، يجب أن يبقى ²⁴⁴ Pu على قيد الحياة 57 (ويتم تقليله بمعامل 2 ⁵⁷  ≈ 1 × 10¹⁷ )، ويجب أن يبقى ^{92Nb على} قيد الحياة عند 130 (ويُختزل بمقدار 2 ¹³⁰  ≈ 1 × 10³⁹ ). رياضيًا، وبالنظر إلى الوفرة الأولية المحتملة لهذه النظائر، يُفترض أن يبقى كل من السماريوم-146 البدائي ^{والبلوتونيوم -244} في ^مكان ما داخل الأرض اليوم، حتى وإن لم يكن بالإمكان تحديدهما في الجزء الصغير نسبيًا من قشرة الأرض المتاح للتحليلات البشرية، بينما لا يُفترض أن يبقى النيوبيوم ^-92 وجميع النظائر الأقصر عمرًا. تُسمى النظائر مثل النيوبيوم ^-92 ، التي كانت موجودة في السديم الشمسي البدائي ولكنها تحللت تمامًا منذ زمن بعيد، بالنظائر المشعة المنقرضة إذا لم يكن لها أي وسيلة أخرى للتجدد. ^{[ 5 ]} أما بالنسبة للبلوتونيوم ^-244 ، فتشير الحسابات إلى أنه اعتبارًا من عام 2022، كانت حدود الحساسية على بُعد رتبة مقدارية واحدة تقريبًا من اكتشافه كنظير بدائي. ^{[ 4 ]}

لأن العناصر الكيميائية البدائية غالباً ما تتكون من أكثر من نظير بدائي واحد ، فإن هناك 83 عنصراً كيميائياً بدائياً متميزاً فقط. من بين هذه العناصر، 80 عنصراً لها نظير مستقر واحد على الأقل قابل للملاحظة ، وثلاثة عناصر بدائية إضافية لها نظائر مشعة فقط ( البزموت ، والثوريوم ، واليورانيوم).

بعض النظائر غير المستقرة التي تحدث بشكل طبيعي (مثل ¹⁴ج ، ³H و ²³⁹البلوتونيوم (Pu ) ليس عنصرًا بدائيًا، إذ يجب أن يتجدد باستمرار. ويحدث هذا عن طريق الإشعاع الكوني (في حالة النظائر الكونية مثل ¹⁴ج و ³H )، أو (نادراً) عن طريق عمليات مثل التحويل النووي الجيولوجي ( التقاط النيوترونات بواسطة اليورانيوم في حالة ²³⁷Np و ²³⁹البلوتونيوم (Pu ). ومن الأمثلة الأخرى على النوى الشائعة الموجودة في الطبيعة ولكنها غير بدائية ، نظائر الرادون والبولونيوم والراديوم ، وهي جميعها نواتج مشعة لتحلل اليورانيوم وتوجد في خامات اليورانيوم. ويُعد نظير الأرجون المستقر ^{40Ar أكثر شيوعًا كنواة مشعة منه كنواة بدائية، إذ يُشكل ما يقرب من 1% من} الغلاف الجوي للأرض ، والذي يتولد من خلال تحلل التقاط الإلكترون للنظير البدائي المشع ^40K طويل العمر للغاية ، والذي يبلغ عمر النصف له حوالي مليار سنة ، وبالتالي فقد كان يُنتج الأرجون منذ بدايات وجود الأرض. (كان الأرجون البدائي يهيمن عليه نظير عملية ألفا 36 ^Ar ، وهو أقل بكثير من ⁴⁰ Ar على الأرض. ) وتشتق سلاسل الاضمحلال الكلاسيكية للعناصر المشعة من النظائر البدائية المشعة طويلة العمر ²³² Th و ²³⁵ U و ²³⁸ U.

تُوصف هذه النويدات بأنها جيولوجية المنشأ ، أي أنها ناتجة عن تحلل أو انشطار اليورانيوم أو غيره من الأكتينيدات في صخور باطن الأرض. ^{[ 6 ]} تتميز جميع هذه النويدات بعمر نصف أقصر من عمر النصف للنويدات المشعة الأولية التي نشأت منها. وتوجد بعض النويدات الجيولوجية المنشأ الأخرى بشكل طبيعي كنتيجة للانشطار التلقائي لأحد هذه النويدات الثلاثة طويلة العمر، مثل القصدير ^-126 ، الذي يشكل حوالي10-12 بالمائة من جميع القصدير الطبيعي . ^{[ 7 ]} تم اكتشاف عنصر آخر، وهو 99Tc، [ 8 ^{] وهناك خمسة منتجات انشطارية} أخرى طويلة العمر معروفة.

العنصر البدائي هو عنصر كيميائي له نظير بدائي واحد على الأقل. يوجد 251 نظيرًا بدائيًا مستقرًا و35 نظيرًا بدائيًا مشعًا، ولكن يوجد 80 عنصرًا بدائيًا مستقرًا فقط - من الهيدروجين إلى الرصاص، بأعداد ذرية من 1 إلى 82، باستثناء التكنيتيوم (43) والبروميثيوم (61) - وثلاثة عناصر بدائية مشعة هي البزموت (83) والثوريوم (90) واليورانيوم (92). إذا ثبت أن البلوتونيوم (94) عنصر بدائي (وتحديدًا النظير طويل العمر ^244Pu )، فسيكون رابع عنصر بدائي مشع، مع أنه عمليًا سيكون من الأسهل إنتاجه صناعيًا. عمر النصف للبزموت طويل جدًا لدرجة أنه يُصنف غالبًا مع العناصر الثمانين المستقرة، لأن إشعاعه لا يُشكل مصدر قلق. عدد العناصر أقل من عدد النوى، لأن العديد من العناصر البدائية ممثلة بنظائر متعددة . انظر العنصر الكيميائي لمزيد من المعلومات.

كما ذُكر، يبلغ هذا العدد حوالي 251. للاطلاع على قائمة كاملة، راجع مقالة " قائمة العناصر حسب استقرار النظائر" . وللحصول على قائمة كاملة تُبيّن أيّ من النوى الـ 251 "المستقرة" قد تكون غير مستقرة من بعض النواحي، راجع " قائمة النوى " و "النوى المستقرة" . لا تؤثر هذه المسائل على مسألة ما إذا كانت النواة بدائية، لأن جميع النوى "شبه المستقرة"، التي يزيد عمر النصف لها عن عمر الكون، هي أيضًا بدائية.

على الرغم من تقدير أن حوالي 35 نظيرًا بدائيًا مشعًا (انظر قائمة النظائر )، إلا أنه من الصعب جدًا تحديد العدد الدقيق للنظائر البدائية المشعة، نظرًا لوجود العديد من النظائر ذات العمر الطويل للغاية والتي لا تزال أعمارها النصفية غير معروفة؛ في الواقع، جميع النظائر الأثقل من الديسبروزيوم-164 مشعة نظريًا. ^{[ 9 ]} على سبيل المثال، يُتوقع نظريًا أن جميع نظائر التنجستن ، بما في ذلك تلك التي تشير أحدث الطرق التجريبية إلى استقرارها، يجب أن تكون مشعة نتيجة اضمحلال ألفا ، ولكن لا يمكن الكشف عن ذلك تجريبيًا إلا بالنسبة للتنجستن ^-180 . ^{[ 10 ]} وبالمثل، من المتوقع أن تتحلل جميع النظائر البدائية الأربعة للرصاص إلى زئبق ، ولكن الأعمار النصفية المتوقعة طويلة جدًا (بعضها يتجاوز 10100 ^سنة ) بحيث يصعب رصد مثل هذه الاضمحلالات في المستقبل القريب. مع ذلك، فإن عدد النظائر المشعة ذات أعمار النصف الطويلة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بالأجهزة الحالية - والتي تُعتبر من هذا المنظور نظائر مستقرة - محدود. فحتى عندما يُكتشف أن نظيرًا "مستقرًا" مشع، فإنه ينتقل ببساطة من قائمة النظائر المستقرة إلى قائمة النظائر غير المستقرة ، ويبقى العدد الإجمالي للنظائر المشعة دون تغيير. ولأغراض عملية، يمكن اعتبار هذه النظائر، التي لا يمكن الكشف عن نشاطها الإشعاعي بالوسائل العادية، مستقرة لجميع الأغراض خارج نطاق البحوث المتخصصة.

هذه النظائر المشعة البدائية الـ 35 هي نظائر لـ 28 عنصرًا (يحتوي كل من الكادميوم والنيوديميوم والأوزميوم والساماريوم والتيلوريوم واليورانيوم والزينون على نظيرين مشعين بدائيين). وقد رُتبت هذه النظائر تنازليًا حسب استقرارها. العديد منها مستقر لدرجة أنه يتنافس في الوفرة مع النظائر المستقرة لعناصرها؛ في الواقع، بالنسبة لثلاثة عناصر ( الإنديوم والتيلوريوم والرينيوم ) ، يكون النظير المشع البدائي طويل العمر أكثر وفرة من النظير المستقر .

يبلغ عمر النصف لأطول نظير مشع معروف، وهو التيلوريوم -128، ^{128 .}7.5 × 10^ ²⁴  سنة : هذا هويبلغ عمر الكون 5.5 × 10¹⁴ ^ضعف عمره. أربعة فقط من هذه النظائر الـ 35 لها أعمار نصفية أقصر من عمر الكون أو تقاربه. أما معظم النظائر الـ 30 الأخرى فلها أعمار نصفية أطول بكثير. أقصرها عمراً هو اليورانيوم ^-235 ، إذ يبلغ عمر نصفه 704 ملايين سنة، أي ما يعادل 15% تقريباً من عمر الأرض والنظام الشمسي . يتحلل العديد من هذه النظائر عن طريق التحلل بيتا المزدوج ، بينما يتحلل بعضها، مثل البزموت ^-209، بطرق أخرى كالتحلل ألفا .

• نويدة ألفا
• قائمة النويدات
• جدول النويدات
• الكيمياء الجيولوجية النظائرية
• النظير المشع
• عنصر أحادي النظير
• عنصر أحادي النظائر
• النظير المستقر
• قائمة العناصر حسب استقرار النظائر
• التخليق النووي في الانفجار العظيم