Calci
Đặc tính > Đồng vị

Calci tự nhiên có 5 đồng vị ổn định (40
Ca, 42
Ca, 43
Ca, 44
Ca, 46
Ca). Đồng vị 48
Ca có chu kỳ bán rã lâu đến nỗi được coi là đồng vị bền trong thực tế (48
Ca có chu kỳ bán rã khoảng 4,3 × 1019 năm). Như vậy, calci là nguyên tố đầu tiên (nhẹ nhất) có 6 đồng vị trong tự nhiên.
Cho đến nay đồng vị calci phổ biến nhất trong tự nhiên là 40
Ca, chiếm 96,941% lượng calci tự nhiên. Nó được tạo ra trong quá trình đốt cháy silic từ phản ứng tổng hợp các hạt alpha và là hạt nhân ổn định nặng nhất với số proton và neutron bằng nhau. 40K nguyên thủy phân rã tạo thành 40
Ca. Thêm một hạt alpha nữa, tạo ra 44
Ti không ổn định, kế sau đó phân rã qua hai lần bắt giữ electron liên tiếp thành 44
Ca ổn định; đồng vị này chiếm 2,806% tổng lượng calci tự nhiên và là đồng vị phổ biến thứ hai.
Bốn đồng vị tự nhiên còn lại là 42
Ca, 43
Ca, 46
Ca, 48
Ca ít gặp hơn hẳn, mỗi đồng vị chỉ chiếm dưới 1% lượng calci tự nhiên. Bốn đồng vị nhẹ chủ yếu là sản phẩm của quá trình đốt cháy oxy và đốt silic, còn hai đồng vị nặng hơn được tạo ra thông qua quá trình bắt giữ neutron. 46
Ca phần lớn được tạo ra trong quá trình s "nóng", vì sự hình thành của đồng vị này đòi hỏi dòng neutron cao để cho phép đồng vị có tuổi thọ ngắn là 45
Ca bắt giữ neutron. 48
Ca được tạo ra bằng cách bắt electron trong quá trình r ở siêu tân tinh loại Ia, trong đó lượng neutron dư thừa cao và entropy đủ thấp đảm bảo sự tồn tại của đồng vị.
46
Ca và 48
Ca là những hạt nhân "ổn định kinh điển" đầu tiên có lượng neutron "dư thừa" lần lượt là 6 và 8. Mặc dù chứa rất nhiều neutron cho một nguyên tố nhẹ, nhưng 48
Ca lại rất ổn định bởi nó có tính hai-lần số Magic: nó có 20 proton và 28 neutron. Quá trình phân rã beta của 48
Ca thành 48Sc bị cản trở do spin hạt nhân của hai đồng vị này hoàn toàn không khớp nhau: 48
Ca có spin bằng 0, trong khi 48
Sc có spin 6+, nên quá trình phân rã không xảy ra bởi tính bảo toàn mô men động lượng. Trong khi hai trạng thái kích thích của 48
Sc mặc dù có thể phân rã nhưng cũng không xảy ra do có spin cao. Kết quả là khi 48
Ca phân rã, nó phân rã beta kép thành 48
Ti, và là hạt nhân trải qua quá trình phân rã beta kép nhẹ nhất được biết đến.
Theo lý thuyết, 46
Ca có thể trải qua quá trình phân rã beta kép thành 46
Ti, nhưng chưa bao giờ quan sát thấy quá trình này trong thực tế. Hạt nhân của đồng vị 40
Ca có tính hai-lần số Magic và có thể trải qua quá trình bắt giữ electron kép thành 40
Ar, nhưng quá trình này cũng chưa bao giờ thấy trên thực tế. Calci là nguyên tố duy nhất có hai hạt nhân có tính hai-lần số Magic nguyên thủy. Giới hạn dưới thực nghiệm cho chu kỳ bán rã của 40
Ca và 46
Ca lần lượt là 5,9 × 1021 năm và 2,8 × 1015 năm.
Ngoài đồng vị "ổn định" 48
Ca, đồng vị phóng xạ có tuổi thọ cao nhất là 41
Ca. Nó phân rã bằng cách bắt electron tạo thành đồng vị ổn định 41
K với chu kỳ bán rã khoảng 105 năm. Sự tồn tại của nó trong Hệ Mặt Trời sơ khai dưới dạng một hạt nhân phóng xạ đã tuyệt chủng đã được suy ra từ 41
K: dấu vết của 41
Ca vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay, bởi nó là một hạt nhân phóng xạ vũ trụ, được tạo ra liên tục thông qua quá trình kích hoạt neutron của 40
Ca tự nhiên.
Nhiều đồng vị phóng xạ calci khác đã được biết đến, từ 35
Ca cho đến 60
Ca. Các đồng vị này đều tồn tại trong thời gian ngắn hơn nhiều so với 41
Ca, với đồng vị ổn định nhất là 45
Ca (chu kỳ bán rã 163 ngày) và 47
Ca (chu kỳ bán rã 4,54 ngày). Các đồng vị nhẹ hơn 42
Ca thường trải qua quá trình phân rã beta cộng thành đồng vị của kali, và những đồng vị nặng hơn 44
Ca thường trải qua quá trình phân rã beta trừ thành đồng vị scandi, mặc dù khi đến gần các đường rò rỉ hạt nhân, sự phát xạ proton và phát xạ neutron dần trở thành quá trình phân rã nổi bật.
Giống các nguyên tố khác, nhiều quá trình khác nhau làm thay đổi hàm lượng tương đối của các đồng vị calci. Nghiên cứu tốt nhất về các quá trình này là sự phân đoạn phụ thuộc vào khối lượng của các đồng vị calci kèm theo sự kết tủa của các khoáng chất chứa calci như calcit, aragonit và apatit từ dung dịch. Các đồng vị nhẹ hơn được ưu tiên kết hợp với các khoáng chất này, từ đó làm giàu dung dịch xung quanh bằng các đồng vị nặng hơn ở mức khoảng 0,025% trên mỗi đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) ở nhiệt độ phòng. Sự khác biệt liên quan đến khối lượng trong thành phần đồng vị calci thường được biểu thị bằng tỷ lệ của hai đồng vị (thường là 44
Ca/40
Ca) trong một mẫu so với tỷ lệ tương đương trong chất liệu tham chiếu tiêu chuẩn. 44
Ca/40
Ca chênh lệch khoảng 1–2‰ giữa các sinh vật trên Trái Đất.