Transcript IZOTOPI

UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Jože Pezdič
IZOTOPI IN GEOKEMIJSKI
PROCESI
Univezitetni učbenik
Ljubljana 1999
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Priporočljiva literatura
• Učbenik: J. Pezdič, Izotopi in geokemijksi
procesi, 269 str., 1999 (dostopen v knjižnici
OG, NTF, Aškerčeva 12 in še kje – kroži okrog
300 izvodov)
• Spletni material:
• http://www.geo.ntf.uni-lj.si (Izotopi 1. in drugi
del)
GEORIS RO (Raziskovanje, izobraževanje, svetovanje)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• 1.1. Izotopi ; 1.1.1. Definicija in lastnosti
•
• Izotopi so atomi istega kemijskega elementa, ki se razlikujejo po masi ("A")
in imajo torej v jedru enako število protonov ("Z") in različno število
nevtronov ("N"). So ena od različic sestave atomskih jeder (nuklidov), ki jih
splošno označujemo z:
•
A
•
•
E
Z
N
•
• kjer "Z" pomeni atomsko (vrstno, protonsko) število, "N" nevtronsko
število in "A" masno število (A = Z + N) elementa E.
• Tako nastanejo tri različne zvrsti (nuklidi), pri katerih je po ena količina
konstantna, drugi dve pa se spreminjata:
•
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
• IZOTOPI
•
•
•
1 H
•
1 0
•
12 C
•
6 6
•
- "Z" = isti;
spreminjata se "N" in "A"
(skupaj tvorijo element s podobnimi lastnostmi)
2 H
1 1
13 C
6 7
=D
3 H
1 2
=T
14 C
6 8
16 O
17 O
18 O
•
8 8
8 9
8 10
•
• Ime "izotop" izhaja iz grščine (isto mesto) in pomeni, da izotopi
določenega elementa zasedajo isto mesto v periodnem sistemu.
•
•
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
• IZOTONI
•
•
13 B
•
5 8
•
• IZOBARI
•
6 Be
•
4
2
- "N" = isti; spreminjata se "Z" in "A"
(različni elementi z različno atomsko maso in lastnostmi)
14 C
6 8
15 N
7 8
- "A" = isti; spreminjata se "Z" in "N"
6 Li
3 3
6 He
2
4
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Slika 1.1.1.: Periodni sistem glede na razmerje nevtronov in protonov (N/Z),
Clark & Fritz (1997).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
IZOTOPSKA SESTAVA LAHKIH ELEMENTOV
•
•
1H
•
•
12C
•
•
14N
•
•
•
16O
•
•
32S
•
= 99,9844 %
2H = 0,0156 %
= 98,89 %
13C = 1,11 %
= 99,64 %
15N = 0,36 %
= 99,763 %
17O = 0,0375 %
18O = 0,1995 %
=
33S =
34S =
36S =
95 %
0,77 %
4,2 %
0,017 %
2H/1H
= 0,000156
13C/12C
= 0,01123
15N/14N
= 0,00367
18O/16O
= 0,00200
34S/32S
= 0,0443
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
•
•
•
m
B 2 . r2
― = ――――
e
2.U
•
Slika 2.1.3.: Meritev
absolutne vsebnosti izotopov, ki sestavljajo CO2.
Masa 44 (12C16O2) je zaradi
preglednosti 40 krat
pomanjšana glede na masi
45 in 46.
Slika 2.1.1.: Shema razporeditve ionskih tokov v več kolektorskem masnem spektrometru
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Slika 2.1.2 : Shema masnega spektrometra ter njegovega uvajalnega in vakuumskega sistema.
• RH2 = D/H;
• RO2 = 18O/16O;
RC = 13C/12C;
RS = 34S/32S
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Relativna izotopska sestava lahkih prvin
 Avz
Rvz - Rst
= ― x 1000 [‰]
Rst
A = D, 13C, 15N, 18O, 34S
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Mednarodni standardi
SMOW
PDB
-
-
(Mean ocean water) za D in 18O (voda, oksidi, ogljikovodiki)
(Pee Dee Belemnitella Americana) za 13C in 18O (karbonati,
organske snovi)
CD
-
(CDT) - (Cañon Diablo Triolit) za 34S (sulfidi, sulfati).
N2
-
(zračni dušik) za 15N (nitrati, amonijeve soli)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Ravnotežni efekti
• a . 1A + b . 2B  a . 2A + b . 1B
• A-B = RA/RB = K 1/n
• Funkcija temperature
• - nizke temperature (okrog sobne)
• - visoke temperature
• Kinetični efekti
• A1 k1 B1 in
  1/T
ln   1/T2
A2 k2 B2
  k1/k2
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• EVAPORITSKO KONDENZACIJSKI IZOTOPSKI EFEKT
• R = R0 f (-1)
f = preostanek reaktanta
Slika 1.2.1.: Temperaturne spremembe frakcionacijskih faktorjev pri
izhlapevanju vode. Frakcionacijski faktor kisika (18) je definiran kot
razmerje 18O/16O v vodi in 18O/16O v pari, ki je v ravnotežju s
tekočino. Frakcionacijski faktor devterija (D) je enako definiran kot
razmerje D/H v tekočini in D/H v pari. Diagram prikazuje
temperaturno odvisnot teh faktorjev (Faure, 1977, po Dansgaardu,
1964).
•
Slika 1.2.2.: Frakcionacija kisikovih izotopov pri
izhlapevanju (evaporaciji) in utekočinjanju
(kondenzaciji), ki ustreza Rayleighovemu
destilacijskemu modelu ( = 1,0092) pri 25 oC.
Voda z 18O = 0 daje na začetku paro z 18O = -9,2
. Tudi prvi kondenzat ima 18O = 0 (Faure,
1977).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Slika 2.2.1.: Celotni razponi izotopske sestave lahkih prvin nekaterih glavnih rezervoarjev in njihovo kroženje: a.) ogljik (δ 13C) , b.)
kisik (δ18O)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Slika 2.2.1.: Celotni razponi izotopske sestave lahkih prvin nekaterih glavnih rezervoarjev in njihovo kroženje: c.) dušik (δ 15N), d.)
žveplo (δ34S).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Slika 2.3.2. Evaporacijsko-kondenzacijski (padavinski) model in značilne izotopske vrednosti
vlažnih mas v atmosferi (Craig in Gordon, 1965)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
Slika 3.2.14: Spreminjanje slanosti in izotopske sestave kisika v različnih globinah
srednjega dela Jadranskega morja
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.3.16.: δ18C v vodnem stolpcu Blejskega jezera; na treh značilnih
točkah in v treh časovnih obdobjih (Dolenec in sod., 1985).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
Slika 2.3.3.: Profil iz ledenika, ki zajema obdobje 300.000 let (Günz – Würm); nihanje temperature je
določeno na podlagi sprememb izotopske sestave kisika v vodi.
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
Slika 2.4.7.: Krivulja srednjih temperaturnih vrednosti za karbon in perm Dinaridov in za del Alp na območju
Slovenije, ki je bila izdelana na podlagi preračuna iz izotopske sestave kisika v karbonatih (Poljšak, Pezdič, 1978).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
Slika 2.3.4.: Shematski prikaz sekundarnih procesov, ki lahko vplivajo na izotopsko sestavo padavin,
površinskih vod in podtalnice (Pezdič, 1991, Gat & Gofiantini, 1981, Fritz, 1982)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.4.10.: Odvisnost izotopske sestave kisika v skeletih
mehkužcev od temperature vode (McCrea, 1950)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.4.11.: Odvisnost izotopske sestave kisika in
ogljika od velikosti školjke Calista chione (Herlec, 1994).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.4.13.: Izotopska sestava kisika in ogljika v biogenih
karbonatih iz srednjega Jadrana (Dolenec in sod., 1997).
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.5.3.: δ13C organskega ogljika v fitoplanktonu v
odvisnosti od temperature (Sackett in sod., 1974)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.4.14.: Shema ogljikovega cikla v Blejskem jezeru in izmerjene
srednje vrednosti izotopske sestave ogljika v posameznih kemijskih
specijah ter organizmih (po Dolenec in sod., 1984)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.5.5. Korelacija med izotopsko sestavo ogljika in vodika v
zooplanktonu in meduzah. Podatki kažejo značilno razliko med obema
skupinama morskih organizmov, ki se nahajata v isti prehrambeni verigi.
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.5.6.: Razpon in srednje vrednosti δ13C za različne nosilce
organ-skega ogljika v Severnem Jadranu v odvisnosti od sprememb
C : N.
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.5.7.: Porazdelitev 13C v površinskem sloju (0 - 2 cm) sedimentirane
organske snovi v Tržaškem zalivu kaže dominantno terestično fazo v
organski masi na vplivnem območju reke Soče.
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
•
Slika 2.6.4.: Značilnosti CH4, CO2 in kerogena pri postsedimentacijskih procesih: a.) po izotopski
sestavi ogljika v CO2 (1), metanu (2), kerogenu (3), grafitu (4) (Galimov, 1980), z ugotovljenim
razponom za Dravsko-mursko depresijo in b.) razmerja plinskih komponent v posameznih fazah
dozorevanja organske snovi (Galimov, 1988)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Metan iz naravnega plina
•
Slika 2.6.6.: Izotopska sestava ogljika in vodika v metanu iz naravnega plina.
Selektivnost obeh parametrov je dobra, zato je metoda uporabna tudi za
prospekcijo nahajališč fosilnih goriv (Schoell, 1980 in 1988). Podane so tudi
izmerjene vrednosti za Dravsko-mursko udorino (Pezdič, 1991)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
• Slika 2.5.8.: Značilne vrednosti izotopske sestave dušika in kisika v
različnih okoljih. Največjo frakcionacijo povzroča denitrifikacija.
(Clark & Fritz, 1997)
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Radioaktivni izotopi in Geokronologija
•
•
•
Protoni (Z), nevtroni (N) in elektroni (e) so osnovni gradniki atomov. Vsota
protonov in nevtronov je masno število (A). Radioaktivni so tisti izotopi, ki niso
obstojni, temveč razpadajo v nove zvrsti (nuklide). Pri tem sprejemajo ali oddajajo
delce in energijo (Q):
, , ,
p, n, e, He, T
• Hitrost radioaktivnega razpada izraža enačba:
•
•
A = A0 . e-t
•
kjer sta A0 in A števili, ki podajata količine radioaktivnih izotopov v začetku in v času
"t";  je koeficient hitrosti razpada in je enak deležu atomov, ki razpadejo v enoti
časa.
•
Povezana je z razpolovnim časom razpada (1/2), t.j. s časom, ko razpade polovica
prvotnih radiogenih atomov:
•
•
1/2 = ln 2/ = 0,693/
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Tritij v zadnjih desetletjih
• Slika 3.3.1.: Srednja letna tritijeva koncentracija v padavinah in
prilagojena (fitana) funkcija za zadnjih 25 let. Označeni so preseki
izračunanih in izmerjenih vrednosti.
UPŠVO 1. letnik – IZOTOPI
Stroncij zadnjih 600 milj. let
• Slika 3.3.6.: Spreminjanje razmerja 87Sr/86Sr v morskih sedimentih v
obdobju od kambrija do danes (Paquet & Clauer, 1997)