Nucleido primordial

Los 251 isótopos estables conocidos, más otros 35 nucleidos que tienen semividas de duración suficiente para haber sobrevivido desde la formación de la Tierra, se presentan como nucleidos primordiales. Estos 35 radionucleidos primordiales son isótopos de 28 elementos químicos distintos. Cadmio, telurio, xenón, neodimio, samario, osmio y uranio tienen cada uno dos radioisótopos primordiales (113Cd, 116Cd; 128Te, 130Te; 124Xe, 136Xe; 144Nd, 150Nd; 147Sm, 148Sm; 184Os, 186Os; 235U y 238U).

Debido a que la edad de la Tierra es de 4,58×10⁹ (unos 4.600 millones de años), la semivida de los nucleidos dados debe ser mayor que aproximadamente 1×10⁸ (100 millones de años) por consideraciones prácticas. Por ejemplo, para un nucleido con semivida de 6×10⁷ (60 millones de años), esto significa que han transcurrido 77 semividas, lo que significa que por cada mol (6,02×10²³) de ese nucleido presente en la formación de la Tierra, solo quedan 4 átomos en la actualidad.

Los siete nucleidos primordiales de vida más corta (es decir, los nucleidos con semividas más cortas) que se han verificado experimentalmente son 87Rb (5,0×10¹⁰), 187Re (4,1×10¹⁰), 176Lu (3,8×10¹⁰), 232Th (1,4×10¹⁰), 238U (4,5×10⁹), 40K (1,25×10⁹) y 235U (7,0×10⁸).

Estos siete nucleidos tienen semividas comparables o algo inferiores a la edad del universo estimada (⁸⁷Rb, ¹⁸⁷Re, ¹⁷⁶Lu y ²³²Th tienen semividas algo más largas que la edad del universo). A continuación figura una lista completa de los 35 radionucleidos primordiales conocidos, incluidos los 28 con semividas mucho más largas que la edad del universo. A efectos prácticos, los nucleidos con semividas mucho más largas que la edad del universo pueden tratarse como si fueran estables. ⁸⁷Rb, ¹⁸⁷Re, ¹⁷⁶Lu, ²³²Th y ²³⁸U tienen semividas lo suficientemente largas como para que su desintegración esté limitada en la escala de tiempo geológico. ⁴⁰K y ²³⁵U tienen semividas más cortas y, por lo tanto, están muy agotados, pero aún tienen una vida lo suficientemente larga como para persistir significativamente en la naturaleza.

El isótopo de vida más larga que no se ha demostrado que sea primordial^[1] es el 146Sm, que tiene una semivida de 1,03×10⁸, seguido del 244Pu (8,08×10⁷) y del 92Nb (3,5×10⁷ (079)). Se ha informado que el ²⁴⁴Pu existe en la naturaleza como un nucleido primordial,^[2] aunque un estudio posterior no lo detectó.^[3] Teniendo en cuenta que todos estos nucleidos deben existir durante al menos 4,6×10⁹, ¹⁴⁶Sm debe sobrevivir 45 semividas (y, por lo tanto, reducirse en 2⁴⁵  4×10¹³), el ²⁴⁴Pu debe sobrevivir a 57 (y reducirse en un factor de 2⁵⁷  1×10¹⁷), y el ⁹²Nb debe sobrevivir a 130 (y reducirse en 2¹³⁰)  1×10³⁹). Matemáticamente, considerando las probables abundancias iniciales de estos nucleidos, los isótopos primordiales ¹⁴⁶Sm y ²⁴⁴Pu deberían persistir hoy en algún lugar dentro de la Tierra, incluso si no son identificables en la porción relativamente menor de la corteza terrestre disponible para los ensayos humanos, mientras que ⁹²Nb y todos los nucleidos de vida más corta no deberían hacerlo. Los nucleidos como ⁹²Nb, que estaban presentes en la nebulosa solar primordial pero que hace tiempo que se desintegraron por completo, se denominan radionucleidos extintos si no tienen otros medios para regenerarse.^[4]

Debido a que los "elementos químicos primordiales" a menudo cuentan con más de un isótopo primordial, solo hay 83 elementos químicos primordiales distintos. De ellos, 80 tienen al menos un isótopo estable y tres elementos primordiales adicionales tienen solo isótopos radiactivos (bismuto, torio y uranio).

Algunos isótopos inestables que se producen de forma natural (como 14C, 3H y 239Pu) no son primordiales, ya que deben regenerarse constantemente. Esto ocurre por radiación cósmica (en el caso de los nucleidos cosmogénicos como 14C y 3H), o (rara vez) por procesos como la transmutación geonuclear (captura neutrónica del uranio en el caso del 237Np y del 239Pu). Otros ejemplos de nucleidos naturales comunes pero no primordiales son los isótopos de radón, polonio y radio, que son todos hijos de nucleidos radiogénicos de la desintegración del uranio y se encuentran en los minerales de uranio. El isótopo estable del argón ⁴⁰Ar es en realidad más común como nucleido radiogénico que como nucleido primordial, formando casi el 1% de la atmósfera de la Tierra. Es regenerado por la desintegración beta del isótopo primordial radiactivo ⁴⁰K de vida extremadamente larga, cuya semivida es del orden de mil millones de años y, por lo tanto, se ha estado generando argón desde los inicios de la existencia de la Tierra (el argón primordial estaba dominado por el nucleido originado por un proceso alfa ³⁶Ar, que es significativamente más raro que el ⁴⁰Ar en la Tierra).

Una serie radiogénica similar se deriva del nucleido primordial radiactivo de larga vida ²³²Th. Estos nucleidos se describen como geogénicos, lo que significa que son productos de desintegración o fisión del uranio o de otros actínidos contenidos en rocas del subsuelo.^[5] Todos estos nucleidos tienen semividas más cortas que sus nucleidos primordiales radiactivos originales. Algunos otros nucleidos geogénicos no se encuentran en las cadenas de desintegración del ²³²Th, ²³⁵U o ²³⁸U, pero aún pueden producirse fugazmente de manera natural como productos de la fisión espontánea de uno de estos tres nucleidos de larga vida, como el ¹²⁶Sn, que constituye aproximadamente el 10⁻¹⁴ de todos los nucleidos naturales del estaño.^[6] También se ha detectado otro, el ⁹⁹Tc.^[7] Hay otros cinco productos de fisión de larga duración conocidos.

Un elemento primordial es un elemento químico que cuenta con al menos un nucleido primordial. Hay 251 nucleidos primordiales estables y 35 nucleidos primordiales radiactivos, pero solo 80 elementos primordiales estables (desde el hidrógeno hasta el plomo, números atómicos del 1 al 82, con las excepciones del tecnecio (43) y del prometio (61)) y tres elementos radiactivos primordiales: bismuto (83), torio (90) y uranio (92). Si el plutonio (94) resulta ser primordial (en concreto, el isótopo de larga vida ²⁴⁴Pu), entonces sería un cuarto elemento primordial radiactivo, aunque en la práctica solo se ha podido obtener generándolo sintéticamente. La semivida del bismuto es tan larga que a menudo se le clasifica entre los 80 elementos estables primordiales, ya que su radiactividad no es motivo de gran preocupación. El número de elementos es menor que el número de nucleidos, porque muchos de los elementos primordiales están representados por múltiples isótopos. Consúltese el artículo dedicado a los elementos químicos para obtener más información.

Tal como se ha señalado, por lo general se consideran 251 nucleidos estables. La lista completa figura en el artículo Anexo:Elementos por estabilidad de isótopos. Para obtener una lista completa que indique cuáles de los 251 nucleidos "estables" pueden ser inestables en algún aspecto, consúltese Anexo:Nucleidos e isótopos estables. Estas consideraciones no afectan a la cuestión de si un nucleido es primordial, ya que todos los nucleidos casi estables, con semividas más largas que la edad del universo, también son primordiales.