Kálium-40

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. május 29-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 4 szerkesztést igényelnek .

Kálium-40

A K-40 bomlási diagramja

Név, szimbólum

Kálium-40, 40 K

Neutronok

Nuklidok tulajdonságai

Atomtömeg

39.96399848(21) [1] a. eszik.

tömeghiba

−33 535.20(19) [1] k eV

Fajlagos kötési energia (nukleononként)

8 538.083(5) [1] keV

Izotóp bőség

0,0117(1)% [2]

Fél élet

1.248(3)⋅10 9 év [2]

Bomlástermékek

40 Ar, 40 Ca

Az atommag spinje és paritása

4 − [2]

Bomlási csatorna	Bomlási energia
β − -bomlás (~ 89,28 (13)%) [2]	1.31107(11) [ 1] MeV
EK (~10,72(13)%) [2]	1.50469(19) MeV

Nuklidok táblázata

A kálium-40 ( lat. Kalium-40 ) a kálium instabil izotópja 19 atomszámmal és 40 tömegszámmal . A kálium-40 felezési ideje 1,248(3)⋅10 9 év [2] , aktivitása 1 gramm izotóptiszta 40 K 2,652 ⋅10 5 Bq .

A kálium-40 a természetes kálium része. A kálium-40 izotóp-bősége 0,0117(1)% [2] . A 40 K bomlás miatt a természetes kálium radioaktív, fajlagos aktivitása körülbelül 31 Bq/g. Az izotópot 1935-ben fedezték fel [2] , bár a természetes kálium radioaktivitását már 1905-ben Joseph Thomson [3] fedezte fel .

A kálium-40 egyike azon kevés páratlan-páratlan nuklidoknak (vagyis páratlan számú protonnal és neutronnal ) a természetes izotópkeverékben. Minden nitrogén-14-nél nehezebb páratlan-páratlan nuklid - természetes és mesterséges is - radioaktív, de a természetben létező radioaktív páratlan-páratlan nuklidok olyan hosszú felezési idővel rendelkeznek, hogy nem volt idejük lebomlani a nitrogén-14-nél. Föld. A kálium-40 esetében a bomlás elnyomott a mag nagy belső nyomatéka miatt ( J = 4 ); mindkét izotóp, amelybe a bomlás lehetséges, az argon-40 és a kalcium-40 alapállapotban nulla forgási nyomatékkal rendelkezik, így a többlet szögimpulzusát a bomlás során kibocsátott részecskéknek el kell vinniük. Ez drasztikusan csökkenti a pusztulás esélyét. Bár az elektronbefogás során a 40 Ar leánymag első gerjesztett szintjét is be lehet tölteni J = 2 -vel, azaz csak 2, és nem 4 egységnyi nyomatékváltozásra van szükség, azonban ebben az esetben a A béta átmenet rendelkezésre álló energiája csak körülbelül 40 keV , ami jóval kevesebb, mint a talajszintre való átmenet során rendelkezésre álló energia (1505 keV). Ez a rendelkezésre álló energia csökkenése nagymértékben kompenzálja a bomlás valószínűségének növekedését, amelyet a szülő- és a leánymag nyomatékának kisebb különbsége okoz, mivel a béta folyamat valószínűsége, ha minden más tényező egyenlő, körülbelül arányos az ötödik. a rendelkezésre álló energia teljesítménye. Így a kálium-40 bomlásához rendelkezésre álló mindhárom állapotba (két alapállapotba és egy gerjesztett állapotba) való átmenet bizonyos mértékig elnyomódik, ami megmagyarázza rendkívül hosszú felezési idejét.

Képződés és bomlás

A Földön elérhető összes kálium-40 nem sokkal a Naprendszer és maga a bolygó megjelenése előtt keletkezett (kb. 4,54 milliárd évvel ezelőtt), és azóta fokozatosan lebomlott. A nuklid jelenléte a modern korban a hosszú felezési idejének köszönhető (1,248⋅10 9 év).

A kálium-40 lebontása két fő csatornán keresztül megy végbe:

β − -bomlás (valószínűség 89,28 ±0,13%) [2] :

{\mathrm {{}_{{19}}^{{40}}K}}\rightarrow {\mathrm {{}_{{20}}^{{40}}Ca}}+e^{-} +{\bar {\nu }}_{e}\,;

egy orbitális elektron befogása (valószínűsége 10,72±0,13%) [2] :

{\mathrm {{}_{{19}}^{{40}}K}}+e^{-}\rightarrow {\mathrm {{}_{{18}}^{{40}}Ar}} +{\nu }_{e}\,.

Rendkívül ritkán (az esetek 0,001%-ában) bomlik le 40 Ar- ra pozitron-bomlás révén , egy pozitron ( β + ) és egy elektronneutrínó ν e emissziójával :

{\mathrm {{}_{{19}}^{{40}}K}}\rightarrow {\mathrm {{}_{{18}}^{{40}}Ar}}+e^{+} +{\nu }_{e}\,.

40 K elektronbefogás esetén az átmenet szinte mindig (az esetek 99,5%-ában) nem a talaj 40 Ar szintre, hanem az első gerjesztett szintre megy végbe, amelynek energiája 1460,8 keV , nyomatéka 2. Túl. körülbelül 1 ps idő alatt ez a szint gamma-kvantum kibocsátásával a fő szintre csökken, szinte az összes energiát elviszi. Az 1,46 MeV energiájú gamma-sugarak nagy áthatolóerővel rendelkeznek, és mivel a kálium az egyik legelterjedtebb kémiai elem, a kálium-40 bomlása során kibocsátott gamma-sugarak jelentősen hozzájárulnak az embert érő külső sugárzás dózisához.

A földi argon 99,6%-ban 40 Ar-ból áll, míg a napfotoszférában és az óriásbolygók atmoszférájában az argon-40 izotóptartalma mindössze ~0,01% [5] . Ez azzal magyarázható, hogy a földi argonnak csak egy kis részét veszik fel a bolygó kialakulása során; a föld légkörében és belsejében található argon szinte teljes mennyisége radiogén – a kálium-40 fokozatos bomlása következtében keletkezik [6] .

Biológiai szerep

A kálium-40 természetesen jelen van az élő szervezetekben a kálium két másik (stabil) természetesen előforduló izotópjával együtt.

A kálium-40 jelenléte az emberi szervezetben természetes (és eltávolíthatatlan, de az emberi életre és egészségre nem veszélyes) radioaktivitást okoz az emberi szervezetben ettől az izotóptól 4-5 kBq [7] (nemtől és életkortól függően [8]). , a fajlagos káliumtartalom változhat).

A testszövetekben a kálium-40 lebomlása következtében egy személy által kapott átlagos éves effektív egyendózis 180 μSv [9] ; a normál háttérrel rendelkező területeken ebből a radionuklidból származó külső átlagos éves dózis átlagosan 120 μSv , míg az összes ionizáló sugárforrás éves átlagos éves dózisa 2200 μSv -re becsülhető [9] .

A 40 K- ból származó belső besugárzás dózisához főként a β során kibocsátott elektronok adják - 40 Ca-ban bomlás , - szinte teljesen elnyelődnek a szövetekben, míg az elektronbefogásból származó 1,46 MeV energiájú gamma-kvantumok 40 K → *40 Ar , nagy valószínűséggel kirepül a testből; ráadásul a 40 K-os β − -bomlás valószínűsége 9-szer nagyobb, mint az elektronbefogás valószínűsége. A kálium élelmiszerekkel történő felhasználásának megtagadása hypokalaemiát okoz , ami nagyon veszélyes az egészségre és halálhoz is vezethet , míg a kálium természetes radioaktivitása nem jelent veszélyt az emberi életre és egészségre. A kálium szükséges az élő szervezetek életéhez, beleértve az embert is, és a nátrium- , kalcium- , foszfor- , magnézium- , klór- és kénvegyületek mellett fontos makrotápanyag .

Kálium-argon keltezés

Fő cikk: Kálium- keltezés

A 40 K koncentrációjának és bomlástermékének 40 Ar koncentrációjának arányát az objektumok abszolút korának meghatározására használjuk az úgynevezett kálium-argon kormeghatározás módszerével. Ennek a módszernek a lényege a következő:

A β-bomlás és az e-befogás ismert állandóinak felhasználásával kiszámítjuk a 40 K atomok relatív hányadát, amelyek 40 Ar -má alakultak : $\lambda _{b}$ $\lambda_e$

{\frac {\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} }{\mathrm {\left[{}^{40}Ar\jobb]} +\mathrm {\left[ {}^{40}Ca\right]} }}={\frac {\lambda _{e}}{\lambda _{e}+\lambda _{b}}}.

Ha [ 40 K] 0 a kálium-40 atomok kezdeti száma, és t a minta kívánt kora, akkor a mért mintában lévő 40 K atomok jelenlegi számát a következő képlet határozza meg:

\mathrm {\left[{}^{40}K\right]} =\mathrm {\left[{}^{40}K\right]_{0}} \cdot e^{-(\ lambda _{e}+\lambda _{b})t}.

A t idő alatt képződő 40 Ar és 40 Ca atom összesen:

\mathrm {\left[{}^{40}Ca\right]} +\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} =\mathrm {\left[{}^{40 }K\jobbra]_{0)) -\mathrm {\left[{}^{40}K\jobbra]} =\mathrm {\left[{}^{40}K\jobbra]} \cdot (e ^{(\lambda _{e}+\lambda _{b})t}-1).

A bomlási állandók közötti összefüggésből az következik, hogy:

\mathrm {\left[{}^{40}Ca\right]} +\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} =\mathrm {\left[{}^{40 }Ar\jobbra]} \cdot {\frac {\lambda _{e}+\lambda _{b)){\lambda _{e))}.

Az utolsó két egyenletet összevetve megkapjuk az összefüggést a vizsgált mintában lévő 40 Ar és 40 K atomok száma között:

\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} =\mathrm {\left[{}^{40}K\right]} \cdot {\frac {\lambda _{e} }{\lambda _{e}+\lambda _{b))}\cdot (e^{(\lambda _{e}+\lambda _{b})t}-1).

A kapott egyenletet a kívánt t időre megoldva egy képletet kapunk a minta korának meghatározására:

t={\frac {\ln \left(1+{\frac {\mathrm {\left[{}^{40}Ar\right]} }{\mathrm {\left[{}^{40 }K\right]} }}\cdot \left(1+{\frac {\lambda _{b}}{\lambda _{e}}}\right)\right)}{\lambda _{e}+ \lambda _{b}}}.

Lásd még

Jegyzetek

↑ 1 2 3 4 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. Az AME2003 atomtömeg-értékelés (II). Táblázatok, grafikonok és hivatkozások (angol) // Nukleáris fizika A. - 2003. - 1. évf. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. A Nubase2016 értékelése a nukleáris tulajdonságokról // Chinese Physics C. - 2017. - Kt. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
↑ Thomson JJ Az alkálifémek negatív részecskéinek kibocsátásáról // Phil . Mag. Ser. 6. - 1905. - évf. 10 . - P. 584-590 . - doi : 10.1080/14786440509463405 .
↑ Arevalo Jr R., McDonough WF, Luong M. A szilikát Föld K/U aránya: Betekintés a köpeny összetételébe, szerkezetébe és termikus evolúciójába // Earth and Planetary Science Letters. - 2009. - 1. évf. 278. cikk (3) bekezdése , iss. 361-369 . - doi : 10.1016/j.epsl.2008.12.023 .
↑ Cameron AGW Az illékony elemek elemi és izotópos bősége a külső bolygókon // Space Science Reviews. - 1973. - 1. évf. 14 , iss. 3–4 . - P. 392-400 . - doi : 10.1007/BF00214750 . - .
↑ Sarda P. Argon Isotopes // Encyclopedia of Geochemistry (angol) / W.M. White (szerk.). - Springer, 2018. - (Encyclopedia of Earth Sciences Series). — ISBN 978-3-319-39312-4 .
↑ Testünk radioaktív? Archivált : 2015. június 13., a Wayback Machine / Health Physics Society, 2014: "A szervezet káliumtartalma 0,2 százalék, tehát egy 70 kg-os embernél a 40 K mennyisége körülbelül 4,26 kBq."
↑ Kehayias JJ, Fiatarone MA, Zhuang H., Roubenoff R. Teljes test kálium és testzsír: relevanciája az öregedésre // The American Journal of Clinical Nutrition. - 1997. - 1. évf. 66 . - P. 904-910 .
↑ 1 2 Kozlov V. F. Sugárbiztonsági kézikönyv. - 4. kiadás - M . : Energoatomizdat, 1991. - S. 96-97. — 352 p. — 20.000 példány.