Nuclide cosmogénique - Cosmogenic nuclide
Les nucléides cosmogéniques (ou isotopes cosmogéniques ) sont des nucléides rares ( isotopes ) créés lorsqu'un rayon cosmique de haute énergie interagit avec le noyau d'un atome du système solaire in situ , provoquant l'expulsion de nucléons (protons et neutrons) de l'atome (voir rayon cosmique spallation ). Ces nucléides sont produits dans les matériaux terrestres tels que les roches ou le sol , dans l' atmosphère terrestre et dans des objets extraterrestres tels que les météorites . En mesurant les nucléides cosmogéniques, les scientifiques sont en mesure de mieux comprendre une gamme de processus géologiques et astronomiques . Il existe des nucléides cosmogéniques radioactifs et stables . Certains de ces radionucléides sont le tritium , le carbone 14 et le phosphore-32 .
Certains nucléides primordiaux légers (de faible numéro atomique) (isotopes du lithium , du béryllium et du bore ) auraient été créés non seulement pendant le Big Bang , mais aussi (et peut-être principalement) après le Big Bang, mais avant le condensation du système solaire, par le processus de spallation des rayons cosmiques sur les gaz et poussières interstellaires. Cela explique leur plus grande abondance en rayons cosmiques par rapport à leur abondance sur Terre. Cela explique également la surabondance des premiers métaux de transition juste avant le fer dans le tableau périodique - la spallation des rayons cosmiques du fer produit du scandium par le chrome d'une part et de l' hélium par le bore d'autre part. Cependant, la qualification arbitraire des nucléides cosmogéniques d'être formés "in situ dans le système solaire" (c'est-à-dire à l'intérieur d'un morceau déjà agrégé du système solaire) empêche les nucléides primordiaux formés par la spallation des rayons cosmiques avant la formation du système solaire d'être appelés "nucléides cosmogènes" - même si le mécanisme de leur formation est exactement le même. Ces mêmes nucléides arrivent toujours sur Terre en petites quantités dans les rayons cosmiques, et se forment dans les météorites, dans l'atmosphère, sur Terre, « de manière cosmogénique ». Cependant, le béryllium (tout le béryllium stable 9) est présent de manière primordiale dans le système solaire en quantités beaucoup plus importantes, ayant existé avant la condensation du système solaire, et donc présent dans les matériaux à partir desquels le système solaire s'est formé.
Pour faire la distinction d'une autre manière, le moment de leur formation détermine quel sous-ensemble de nucléides produits par la spallation des rayons cosmiques sont appelés primordiaux ou cosmogéniques (un nucléide ne peut pas appartenir aux deux classes). Par convention, on pense que certains nucléides stables du lithium, du béryllium et du bore ont été produits par la spallation des rayons cosmiques dans la période comprise entre le Big Bang et la formation du système solaire (faisant ainsi ces nucléides primordiaux , par définition) ne sont pas appelés "cosmogènes", même s'ils ont été formés par le même processus que les nucléides cosmogéniques (bien qu'à une époque antérieure). Le nucléide primordial béryllium-9, le seul isotope stable du béryllium, est un exemple de ce type de nucléide.
En revanche, même si les isotopes radioactifs béryllium-7 et béryllium-10 appartiennent à cette série de trois éléments légers (lithium, béryllium, bore) formés principalement par nucléosynthèse par spallation des rayons cosmiques , ces deux nucléides ont des demi-vies trop courtes (53 jours et environ 1,4 million d'années, resp.) pour qu'ils aient été formés avant la formation du système solaire, et donc ils ne peuvent pas être des nucléides primordiaux. Étant donné que la voie de la spallation des rayons cosmiques est la seule source possible d'occurrence naturelle du béryllium-7 et du béryllium-10 dans l'environnement, ils sont donc cosmogéniques.
Nuclides cosmogéniques
Voici une liste de radio-isotopes formés par l'action des rayons cosmiques ; la liste contient également le mode de production de l'isotope. La plupart des nucléides cosmogéniques se forment dans l'atmosphère, mais certains se forment in situ dans le sol et la roche exposés aux rayons cosmiques, notamment le calcium-41 dans le tableau ci-dessous.
Isotope | Mode de formation | demi vie |
---|---|---|
3 H (tritium) | 14 N(n,T) 12 C | 12,3 ans |
7 être | Spallation (N et O) | 53,2 jours |
10 Être | Spallation (N et O) | 1 387 000 ans |
12 B | Spallation (N et O) | |
11 C | Spallation (N et O) | 20,3 minutes |
14 C | 14 N(n,p) 14 C et 208 Pb(α, 14 C) 198 Pt | 5 730 ans |
18 F | 18 O(p,n) 18 F et Spallation (Ar) | 110 minutes |
22 Non | Spallation (Ar) | 2,6 ans |
24 Non | Spallation (Ar) | 15h |
27 mg | Spallation (Ar) | |
28 mg | Spallation (Ar) | 20,9 heures |
26 Al | Spallation (Ar) | 717 000 ans |
31 Si | Spallation (Ar) | 157 minutes |
32 Si | Spallation (Ar) | 153 ans |
32 P | Spallation (Ar) | 14,3 jours |
34m Cl | Spallation (Ar) | 34 minutes |
35 S | Spallation (Ar) | 87,5 jours |
36 Cl | 35 Cl (n,γ) 36 Cl & spallation (Ar) | 301 000 ans |
37 Ar | 37 Cl (p,n) 37 Ar | 35 jours |
38 Cl | Spallation (Ar) | 37 minutes |
39 Ar | 40 Ar (n,2n) 39 Ar | 269 ans |
39 Cl | 40 Ar (n,np) 39 Cl | 56 minutes |
41 Ar | 40 Ar (n,γ) 41 Ar | 110 minutes |
41 ca | 40 Ca (n,γ) 41 Ca | 102 000 ans |
45 ca | Spallation (Fe) | |
47 ca | Spallation (Fe) | |
44 Sc | Spallation (Fe) | |
46 Sc | Spallation (Fe) | |
47 Sc | Spallation (Fe) | |
48 Sc | Spallation (Fe) | |
44 Ti | Spallation (Fe) | |
45 Ti | Spallation (Fe) | |
81 Kr | 80 Kr (n,γ) 81 Kr | 229 000 ans |
95 Tc | 95 Mo (p,n) 95 Tc | |
96 Tc | 96 Mo (p,n) 96 Tc | |
97 Tc | 97 Mo (p,n) 97 Tc | |
97m Tc | 97 Mo (p,n) 97m Tc | |
98 Tc | 98 Mo (p,n) 98 Tc | |
99 Tc | Spallation (Xe) | |
107 pd | Spallation (Xe) | |
129 je | Spallation (Xe) | 15 700 000 ans |
182 Yb | Spallation (Pb) | |
182 Lu | Spallation (Pb) | |
183 Lu | Spallation (Pb) | |
182 Hf | Spallation (Pb) | |
183 Hf | Spallation (Pb) | |
184 Hf | Spallation (Pb) | |
185 Hf | Spallation (Pb) | |
186 Hf | Spallation (Pb) | |
185 W | Spallation (Pb) | |
187 W | Spallation (Pb) | |
188 W | Spallation (Pb) | |
189 W | Spallation (Pb) | |
190 W | Spallation (Pb) | |
188 Ré | Spallation (Pb) | |
189 Ré | Spallation (Pb) | |
190 Ré | Spallation (Pb) | |
191 Ré | Spallation (Pb) | |
192 Ré | Spallation (Pb) | |
191 O | Spallation (Pb) | |
193 Os | Spallation (Pb) | |
194 O | Spallation (Pb) | |
195 O | Spallation (Pb) | |
196 O | Spallation (Pb) | |
192 Ir | Spallation (Pb) | |
194 Ir | Spallation (Pb) | |
195 Ir | Spallation (Pb) | |
196 Ir | Spallation (Pb) |
Applications en géologie répertoriées par isotope
élément | Masse | demi-vie (années) | application typique |
---|---|---|---|
béryllium | dix | 1.387.000 | datation par exposition de roches, sols, carottes de glace |
aluminium | 26 | 720 000 | datation d'exposition de roches, sédiments |
chlore | 36 | 308 000 | datation d'exposition des roches, traceur des eaux souterraines |
calcium | 41 | 103 000 | datation par exposition des roches carbonatées |
iode | 129 | 15 700 000 | traceur des eaux souterraines |
carbone | 14 | 5730 | datation au radiocarbone |
soufre | 35 | 0,24 | temps de séjour de l'eau |
sodium | 22 | 2.6 | temps de séjour de l'eau |
tritium | 3 | 12.32 | temps de séjour de l'eau |
argon | 39 | 269 | traceur des eaux souterraines |
krypton | 81 | 229 000 | traceur des eaux souterraines |
Utilisation en géochronologie
Comme le montre le tableau ci-dessus, il existe une grande variété de nucléides cosmogéniques utiles qui peuvent être mesurés dans le sol, les roches, les eaux souterraines et l'atmosphère. Ces nucléides partagent tous la caractéristique commune d'être absents dans le matériel hôte au moment de la formation. Ces nucléides sont chimiquement distincts et se divisent en deux catégories. Les nucléides d'intérêt sont soit des gaz nobles qui, en raison de leur comportement inerte, ne sont pas intrinsèquement piégés dans un minéral cristallisé, soit ont une demi-vie suffisamment courte lorsqu'ils se sont désintégrés depuis la nucléosynthèse, mais une demi-vie suffisamment longue lorsqu'ils ont accumulé des concentrations mesurables. . La première comprend la mesure des abondances de 81 Kr et 39 Ar tandis que la seconde comprend la mesure des abondances de 10 Be, 14 C et 26 Al.
3 types de réactions des rayons cosmiques peuvent se produire une fois qu'un rayon cosmique frappe la matière qui à son tour produit les nucléides cosmogéniques mesurés.
- la spallation des rayons cosmiques qui est la réaction la plus courante à proximité de la surface (généralement de 0 à 60 cm sous la Terre) et peut créer des particules secondaires qui peuvent provoquer une réaction supplémentaire lors de l'interaction avec un autre noyau appelée cascade de collision .
- la capture de muons s'étend à des profondeurs de quelques mètres sous la surface, car les muons sont intrinsèquement moins réactifs et, dans certains cas, avec des muons à haute énergie, ils peuvent atteindre des profondeurs plus importantes
- capture de neutrons qui, en raison de la faible énergie des neutrons, sont capturés dans un noyau, le plus souvent par l'eau, mais dépendent fortement de la neige, de l'humidité du sol et des concentrations en éléments traces.
Corrections pour les flux de rayons cosmiques
Étant donné que la Terre est bombée à l'équateur et que les montagnes et les fosses océaniques profondes permettent des écarts de plusieurs kilomètres par rapport à un sphéroïde uniformément lisse, les rayons cosmiques bombardent la surface de la Terre de manière inégale en fonction de la latitude et de l'altitude. Ainsi, de nombreuses considérations géographiques et géologiques doivent être comprises pour que le flux de rayons cosmiques soit déterminé avec précision. La pression atmosphérique , par exemple, qui varie avec l'altitude peut changer le taux de production de nucléides dans les minéraux d'un facteur 30 entre le niveau de la mer et le sommet d'une montagne de 5 km de haut. Même les variations de la pente du sol peuvent affecter jusqu'où les muons de haute énergie peuvent pénétrer dans le sous-sol. L'intensité du champ géomagnétique qui varie dans le temps affecte le taux de production de nucléides cosmogéniques, bien que certains modèles supposent que les variations de l'intensité du champ sont moyennées au cours du temps géologique et ne sont pas toujours prises en compte.