Геохимия изотопов Основные закономерности распространения изотопов

Геохимия изотопов Основные закономерности распространения изотопов

• Различные атомы известных химических элементов характеризуются определенным сочетанием элементарных частиц (нуклонов), которые обозначаются Z, N, А. • Z – порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева, равный числу протонов в ядре или числу орбитальных электронов в нейтральном атоме; изменяется от 1 (Н – водород) до 119. • N – число нейтронов в ядре; изменяется от 1 (нейтрон) до 150 и более (трансурановые изотопы). • А – полное число нуклонов в ядре, сумма протонов и нейтронов – массовое число. • Между величинами Z, N и А имеются простые соотношения: А= Z+N; N=А–Z; Z=А–N. Разность N–Z – избыток нейтронов.

Основные константы Н 2 О, Н 218 О, D 2 O Константы Н 216 О D 216 O Н 218 О 0, 9979 1, 1051 1, 1106 Температура наибольшей плотности (о. С) 3, 98 11, 24 4, 30 Точка плавления (760 торр, о. С) 0, 00 3, 81 0, 28 Точка кипения (760 торр, о. С) 100, 00 101, 42 100, 14 Давление паров (при 100 о. С в торрах) 760, 00 721, 60 Вязкость (при 20 о. С, в сантипуазах) 1, 002 1, 247 Плотность (20 о. С, в г/см 3) 1, 056

• Атомы с одинаковым массовым числом А, но разными N и Z называются изобарами. Например, изобары 13056 Ва 13052 Те. • Атомы с одинаковыми N, но разными Z и А называются изотонами. Например, изотоны 12351 Sb и 12452 Te.

• Большинство известных ядерных видов неустойчиво. Поэтому изотопы разделяются на стабильные и радиоактивные. • Известно около 300 стабильных изотопов, радиоактивных же изотопов насчитывается более 1200. • Из 340 ядерных видов, слагающих нашу земную природу, 273 относится к стабильным изотопам, из которых очень небольшая часть обладает слабой радиоактивностью.

• Стабильность изотопов (точнее, ядерных видов или нуклидов) определяется несколькими правилами. • Первое правило, называемое правилом симметрии, утверждает, что в стабильных нуклидах с низким атомным номером число протонов (Z) приблизительно равно числу нейтронов (N), т. е. отношение N/Z равно единице.

Нейтронно-протонная диаграмма (по К. Ранкама). 1 – стабильные изотопы; 2 – радиоактивные изотопы

• Второе правило - правило Оддо-Гаркинса гласит, что нуклиды с четными порядковыми номерами более распространены, чем нуклиды с нечетными порядковыми номерами. • Четыре типа нуклидов в зависимости от четного или нечетного числа протонов и нейтронов в их составе: четно-четный 168 О; четно-нечетный 94 Ве; нечетно-четный 73 Li; нечетно-нечетный 105 В.

Типы атомных нуклидов и частота их встречаемости Тип Z N А Число изотопов Четно-четный Четное 166 Четнонечетный Четное Нечетное 55 Нечетночетный Нечетное Четное Нечетное 47 Нечетнонечетный Нечетное Четное 5

• Радиоактивные изотопы можно подразделить на искусственные и естественные. • Для геологии представляет интерес лишь природная радиоактивность, поскольку на ней основаны методы определения возраста. • Процессы радиоактивного распада представляют собой спонтанные ядерные реакции, которые характери-зуются излучаемой радиацией. Радиоактивный распад подразделяется на α-, β- и γраспады и К-захват.

Бета-минус-распад (β−). Слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и электронное антинейтрино

Стабильность (устойчивость) атомных ядер в значительной мере обусловлена определенным сочетанием нейтронов и протонов.

• Все тяжелые изотопы с Z>82 радиоактивны, многие из них испытывают α-распад. • Они группируются в четыре радиоактивных ряда: ториевый, нептуниевый, урановый и актино-урановый. • При распаде изотопов этих рядов массовое число уменьшается на четыре после каждого акта α-распада.

А льфа-распа д — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4 He - альфа-частицы

Радиоактивные изотопы Ряд Родоначальный изотоп Ториевый 232 Нептуниевый 237 Конечный Продукт 90 Th 208 93 Np 209 Признак делимости на 4 82 Pb 4 n 83 Вi 4 n+1 Урановый 238 92 U 206 82 Pb 4 n+2 Актиноурановый 235 92 U 207 82 Pb 4 n+3 Тип изотопов Четночетный Нечетночетный Четнонечетный

• Основные закономерности относительной распространенности изотопов: • элементы с четным порядковым номером имеют значительно больше изотопов, чем элементы с нечетным; • наибольшее число изотопов у олова (Z=50) и равно 10; • у легких элементов с четным значением Z более распространены самые легкие изотопы, чем тяжелые. Так у кислорода наиболее распространенным является изотоп 16 О – 99, 759%, а самый тяжелый изотоп 18 О составляет 0, 2039%; • у более тяжелых элементов (с Z > 32) наоборот характерно повышенное распространение тяжелых стабильных изотопов, а самые легкие встречаются в незначительном количестве; • у элементов с нечетным значением порядкового номера число стабильных изотопов не превышает двух.

Зависимость между галактическим распространением элементов (lg C) и порядковым номером Z (Polanski, 1961), 1 – четные элементы; 2 – нечетные элементы

Зависимость между галактическим распространением изотопов (lg C) и нейтронным числом N (Polanski, 1961), 1 – четные элементы; 2 – нечетные элементы

Зависимость между галактическим распространением ядерных видов (изобар) и массовым числом А (Polanski, 1961), 1 – четные значения А; 2 – нечетные значения А. Цифры у кривых – избыток нейтронов.

• Из рассмотренных закономерностей распространения элементов, изотонов и изобар вытекает одна общая закономерность: ведущее значение четности как фактора, обуславливаю-щего повышенное распространение атомов. • Из того, что при четном сочетании нуклонов в ядре силы ядерной связи особенно велики и получается устойчивый состав нуклонов, вытекает общий вывод: распространенность атомов в природе определяется ядерными свойствами и способом их образования в космических системах.

• Заполненные ядерные оболочки характеризуются так называемыми магическими числами: 2, 8, 20, 50, 82, 126. • Эффект заполненности ядерных оболочек выражается в повышенном распространении соответствующих ядерных видов. Так ядерные виды, как 44 Не (N=2), 168 О (N=8), 40 Са (N=20), 90 Zr (N=50), 140 Ce (N=82), 20 40 58 208 Pb (N=126), распространены более 82 значительно, чем соседние ядерные виды. • Исключение представляет изотоп железа 56 Fe, у которого, вероятно, особое сочетание ядерных свойств, в частности наиболее прочная удельная ядерная связь.