IzotopyTrwale.pdf

ĆWICZENIA Z GEOLOGII ZŁÓŻ

METODYKA BADAŃ W GEOLOGII ZŁÓŻ

SEMESTR ZIMOWY 2006/2007

BLOK: „WYKORZYSTANIE BADAŃ TRWAŁYCH IZOTOPÓW

W GEOLOGII ZŁÓŻ (I NIE TYLKO)”

PROWADZĄCY:

DR MACIEJ BOJANOWSKI 1

DR MAŁGORZATA STRENGEL-MARTINEZ 2

„Ostrzeżenie!!! – Wyniki badań trwałych izotopów mogą powodować poważne i zaraźliwe bóle

brzucha, jeśli przyjmowane są indywidualnie. Aby uniknąć zaniepokojenia żołądka własnego i

recenzentów, zażyj wyniki badań trwałych izotopów ze zdrową dawką innych informacji

hydrologicznych, geologicznych i geochemicznych. Przekonasz się wtedy, że dane uzyskane z

badań trwałych izotopów są bardzo zbawienne.” (Marvin O. Fretwell, pers. comm. 1983 –

cytowane za: http://www.rcamnl.wr.usgs.gov)

1 Zakład Geologii Złożowej i Gospodarczej; e-mail: mcbojan@uw.edu.pl ; tel.: 022 554 03 28; dyżur: środa 11-13;

pokój 2083

2 Zakład Geologii Złożowej i Gospodarczej; e-mail: m.strengel-martinez@uw.edu.pl ; tel.: 022 554 04 25;

dyżur: czwartek 11-12; pokój 2035;

INFORMACJE PODSTAWOWE

Atomy składają się z protonów (o ładunku +), neutronów i elektronów (o ładunku ). Protony i

neutrony zawarte są w jądrze, które skupia niemal całą masę atomu, a elektrony występują na

powłokach elektronowych.

Liczba atomowa (Z) + liczba neutronowa (N) = l. masowa (A)

 liczba atomowa to liczba protonów zawartych w jądrze atomu – opisuje ona z jakim

pierwiastkiem mamy do czynienia

 liczba neutronowa to liczba neutronów w jądrze atomu.

Liczba masowa =

A = Z + N

Symbol chemiczny

pierwiastka

Liczba atomowa =

liczba protonów

N = Liczba neutronowa

Poszczególne rodzaje atomów nazywane są nuklidami i mogą się różnić wartościami liczby

neutronowej, atomowej lub masowej.

Nuklidy o tej samej Z to pierwiastki.

Nuklidy danego pierwiastka o różnej N, więc także o różnej A – to izotopy ( 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O).

Nuklidy dwóch pierwiastków, więc o różnej Z, ale o takiej samej A to izobary ( 3 1 H, 3 2 He).

Nuklidy o różnych Z i A, ale o takiej samej N to izotony ( 14 6 C, 16 8 O).

Izotopy to atomy, których jądra zawierają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów.

Czyli, izotopy danego pierwiastka mają tę samą liczbę atomową, a różną liczbę masową. Termin

izotopy pochodzi z greki i oznacza „równe miejsce”, co bierze się z faktu, że są to wprawdzie różne

nuklidy, ale które zajmują w układzie okresowym to samo miejsce.

Sposób zapisu : zwykle izotopy zapisuje się podając tylko liczbę masową w górnym lewym rogu

symbolu pierwiastka – np. 18 O lub podając nazwę pierwiastka jako pierwszą a następnie myślnik i

liczbę masową – np. „tlen-18”.

Podział izotopów na trwałe i nietrwałe (promieniotwórcze) oraz na pierwotne (przejęte z materii

kosmicznej) i wtórne (powstałe w wyniku przemian promieniotwórczych). Istnieje 300 trwałych i

1200 nietrwałych izotopów. Czyli większość naturalnie występujących izotopów to izotopy

nietrwałe, które ulegają rozpadowi promieniotwórczemu w wyniku, którego powstają inne izotopy.

Podczas rozpadu, izotopy promieniotwórcze emitują cząstki alfa lub beta i czasami również

promienie gamma. Izotopy promieniotwórcze używa się między innymi do radiometrycznych

metod datowania. Jedynie 21 pierwiastków ma tylko 1 izotop. Przeważnie jeden izotop, w składzie

danego pierwiastka, wybitnie przeważa ilościowo nad pozostałymi (wyjątek np. 63 Cu – 69%, a

65 Cu – 31%).

Nie bardzo wiadomo, jaka jest częstość występowania poszczególnych pierwiastków, ale

podejmowano próby jej obliczania na podstawie analizy składu meteorytów oraz atmosfery Słońca i

gwiazd. W próbach tych określono względne stosunki atomowe poszczególnych pierwiastków

przyjmując umownie, że częstość pierwiastka referencyjnego ma określoną wartość, np. przyjmuje

się, że krzem ma częstość 10 6 i częstości atomowe innych pierwiastków porównuje się z tą

wartością. Charakterystyczne jest, że częstość pierwiastków maleje wraz z wzrastającą l. atomową,

przy czym spadek jest gwałtowny tylko na początku układu okresowego, czyli że pierwiastki

lekkie, zwłaszcza H, są wielokrotnie częstsze niż ciężkie. Pewne pierwiastki odbiegają jednak od

tego trendu i mogą być anomalnie mniej częste (deficytowe, np. Li, Be) lub bardziej częste (np. O i

Fe). Dodatkowo pierwiastki o l. atomowych parzystych są częstsze od o l. atomowej nieparzystej.

Wychodząc od znanych częstości atomowych i znając procentowy udział poszczególnych izotopów

danego pierwiastka, można ustalić częstości jego izotopów. Nuklidy o parzystych liczbach

protonów lub neutronów są częstsze od nieparzystych. Co ciekawe, zauważono, że wyższą częstość

mają nuklidy mające pewne liczby protonów lub neutronów. te liczby to: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 i

nazywa się je liczbami magicznymi. Oprócz tego jeśli dwa izobary różnią się od siebie liczbą

protonów o 1, to jeden z nich jest promieniotwórczy (np. 3 1 H – 3 2 He; 14 6 C – 14 7 N).

METODY BADAWCZE

Do podstawowych zadań geochemii izotopów należy poznanie składu izotopowego pierwiastków

występujących w przyrodzie oraz śledzenie jego zmienności. Używa się do tego przeważnie metod

fizycznych, np. określania ciężaru właściwego fluidów czy analizy widma masowego. Aby zbadać

skład izotopowy danego pierwiastka należy oznaczyć jego l. masową i określić stosunki izotopowe.

Służą do tego spektrografy i spektrometry mas . Różnią się od siebie konstrukcją, ale i

przeznaczeniem. Spektrografy mas pozwalają dokładnie określić liczby masowe poszczególnych

izotopów, natomiast słabiej oznaczają względną ich częstość występowania. W geochemii izotopów

trwałych używa się najczęściej spektrometrów mas, które wykrywają różnice przebiegu przez pole

magnetyczne jonów o różnym stosunku masy do ładunku zwanym widmem masowym. Służą

głównie do oznaczania stosunków izotopowych. Próbki należy przygotować w postaci zmielonej –

proszku, z którego najczęściej w wyniku zastosowania odpowiednich odczynników wydziela się

badany pierwiastek w postaci gazu, np. CO 2 dla potrzeb zbadania trwałych izotopów węgla czy

tlenu.

W ostatnich latach coraz szerzej w naukach geologicznych znajduje zastosowanie mikrosonda

jonowa i ablacja laserowa . Mikrosonda jonowa przeprowadzana jest na płytkach cienkich

odkrytych i pozwala na zbadanie stosunków izotopowych w poszczególnych kryształach i ziarnach

lub nawet w poszczególnych ich partiach, a ablacja laserowa przeprowadzana jest na odłamkach

skały w świetle odbitym.

SPOSOBY WYRAŻANIA SKŁADU IZOTOPOWEGO PIERWIASTKÓW

Skład izotopowy pierwiastka wyraża się najczęściej jako stosunek dwóch wybranych izotopów

rozpatrywanego pierwiastka. Wyraża się to: A 1 /A 2 = R , gdzie A 1 i A 2 to zawartość izotopów 1

(cięższy) i 2 (lżejszy) w próbce, np. 18 O/ 16 O. Stosunek ten mierzony jest względem ustalonych,

powszechnie uznanych wzorców. Różnicę zmierzonej wartości stosunku izotopowego do wzorca

wyraża się a pomocą parametru δ w promilach ( Załącznik 1 ). Jeżeli δ > 0, to oznacza, że badana

próbka jest wzbogacona w cięższy izotop w stosunku do wzorca. Jeżeli δ < 0, to oznacza, że badana

próbka jest zubożona w cięższy izotop w stosunku do wzorca.

Określenie, który wzorzec jest najlepszy dla badań izotopowych jest bardzo trudne. Wzorzec

powinien spełniać następujące warunki:

1. Powinien być powszechnie używany jako punkt „0”,

2. Powinien mieć jednorodny skład izotopowy,

3. Powinien być osiągalny w dużych ilościach,

4. Powinien być łatwy do stosowania w przygotowawczych operacjach chemicznych

i pomiarach stosunków izotopowych,

5. Powinien mieć bezwzględny stosunek izotopowy R w przybliżeniu pośrodku

zmienności stosunków izotopowych danego pierwiastka w naturalnych

środowiskach.

Załącznik 1

SPOSOBY WYRAŻANIA ZMIENNOŚCI SKŁADU IZOTOPOWEGO

PIERWIASTKÓW

1. Skład izotopowy pierwiastka można wyrazić przez procentowy udział

poszczególnych izotopów.

2. W geochemii izotopów ograniczamy się najczęściej do zbadania stosunków

między dwoma wybranymi izotopami rozpatrywanego pierwiastka:

A 1

A 2

= R, gdzie A 1 i A 2 to zawartość izotopów 1 i 2 w badanej próbce

3. Obecnie jednak w geochemii izotopów stosowane jest powszechnie porównanie

stosunków izotopowych w badanej próbce ze stosunkiem w pewnym wzorcu.

Porównanie to określa względne odchylenie od wzorca ( „delta value”) :



)



próbk i

wzorca

1000

wzorca

gdzie R=A 1 /A 2 wyraża z reguły stosunek izotopu o wyższej liczbie masowej do

izotopu o liczbie masowej niższej.

Jeżeli  A >  B (A i B odnosi się do dwóch różnych próbek, w których oznaczamy

stosunki izotopowe badanego pierwiastka), to próbka A jest bogatsza od próbki B w

cięższy izotop badanego pierwiastka.

Przykład:



o 

próbki

wzorca

1000

wzorca

Jeżeli  18 O wynosi +10‰, to oznacza, że próbka jest wzbogacona w cięższy izotop tlenu w

stosunku do wzorca.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: