Изотопия ряда химических элементов

Большое число научных работ посвящено изотопному составу углерода алмазов.

Периодическая таблица по изотопам элементов

Изотопы углерода

4. Аргон

Изотопы аргона -- разновидности атомов (и ядер) химического элемента аргона, имеющие разное содержание нейтронов в ядре.

Аргон представлен в земной атмосфере тремя стабильными изотопами: ³⁶Ar (0,337 %), ³⁸Ar (0,063 %), ⁴⁰Ar (99,600 %). Почти вся масса тяжёлого изотопа ⁴⁰Ar возникла на Земле в результате радиоактивного изотопа калия ⁴⁰K (содержание этого изотопа в изверженных породах в среднем составляет 3,1 г/т).

Распад радиоактивного калия идёт по двум направлениям одновременно:

Первый процесс (обычный в-распад) с вероятностью 0,88 порождает стабильный изотоп ⁴⁰Ca. Во втором процессе, с вероятностью 0,12 происходит К-захват, в результате чего образуется изотоп ⁴⁰Ar. Один грамм природного калия, с концентрацией радиоактивного изотопа ⁴⁰K 0,012 ат.%, содержащегося в горных породах или в виде растворов солей в водах, в течение года порождает приблизительно 1,03·107 атомов ⁴⁰Ar. Таким образом, в минералах, содержащих калий, постепенно накапливается изотоп ⁴⁰Ar, удерживаемый в кристаллических решётках, что позволяет по соотношению концентраций ⁴⁰Ar/⁴⁰K в минералах определить момент их кристаллизации. Этот калий-аргоновый метод является одним из основных методов ядерной геохронологии.

Вероятные источники происхождения изотопов ³⁶Ar и ³⁸Ar -- неустойчивые продукты спонтанного деления тяжёлых ядер, а также реакции захвата нейтронов и альфа-частиц ядрами лёгких элементов, содержащихся в урано-ториевых минералах:

Подавляющая часть космического аргона состоит из изотопов ³⁶Ar и ³⁸Ar. Это вызвано тем обстоятельством, что калий распространен в космосе примерно в 50 000 раз меньше, чем аргон (на Земле калий преобладает над аргоном в 660 раз). Примечателен произведенный геохимиками подсчет: вычтя из аргона земной атмосферы радиогенный ⁴⁰Ar, они получили изотопный состав, очень близкий к составу космического аргона.

4.1 Аргон-40

Не меньшее значение для целей геологии и геоэкологии имеет газ - аргон-40. Изменение химического состава земной коры с глубиной вызывает и изменение соотношения концентраций в глубинных водах гелия и аргона-40. Это дает возможность оценить тектоническую глубину разломов, а также прогнозировать в некоторых случаях перспективность исследуемого района на полезные ископаемые.

Измерение концентрации аргона-40 в подземных водах позволяет решить одну из важнейших экологических проблем, а именно контроль целостности водозащитной толщи на рудниках, добывающих калийную соль. Аргон-40 как продукт распада калия-40 вследствие своего специфического происхождения является в данном случае идеальным индикатором .

В 1995 году в районе Соликамска произошло тектоническое землетрясение средней силы (магнитуда около 5), которое вызвало подвижки верхних слоев земной коры. Как правило, мощный (на глубине более 100 м) слой калийных солей, который обычно и разрабатывается, перекрыт чередованием прослоев глины и тонких пластов тех же калийных солей. Выше верхнего слоя глинистых отложений обычно расположен водоносный горизонт, приуроченный к песчанникам, и далее сверху все замыкается карбонатными породами, которые условно назовем известняками.

Опасность состоит в том, что при разрушении верхнего водозащитного слоя (глинистые отложения) подземные воды достигают залежи калийных солей, размывают их и, если последующие водозащитные слои также нарушены, подземные воды могут достичь разрабатываемого пласта калийных солей, размыть его и затопить шахту. Поэтому важно не только следить за смещением водозащитной толщи при современных тектонических процессах, но и контролировать состояние этой водозащитной толщи, ее целостность. Для такого контроля, как уже говорилось, оптимально изучение содержания аргона-40 в подземных водах, протекающих над залежами калийных солей.

Отличие аргона от других газов, например водорода и метана, которые растворены в калийных солях и выделяются из них только при растворении соли в воде, состоит в том, что аргон-40 как инертный газ не связывается молекулами соли, диффундирует вверх к нижней поверхности водозащитной толщи, где возникает избыточное (относительно массива калийных солей) давление, если не нарушена сплошность глинистых отложений.

Изучение концентрации аргона в подземных водах имеет свои особенности. Дело в том, что в эти воды всегда привносится с поверхности Земли атмосферный аргон, содержание которого в атмосфере составляет 0,93 об. %. Однако атмосферный аргон повсеместно имеет определенное соотношение концентрации изотопов аргон-40 и аргон-36, которое для нашей геологической эпохи равно 295,6. В процессе радиоактивного распада калия-40 генерируется только изотоп аргон-40, поэтому при нарушении водозащитной толщи должен наблюдаться сдвиг изотопного соотношения, что и позволяет определить наличие радиогенного аргона в подземных водах. Причем повышение концентрации аргона-40 на 0,003 об. % от его среднего содержания вызывает изменение изотопного соотношения на одну единицу (до 296,6), что четко фиксируется при масс-спектрометрическом анализе газовой пробы. Указанная методика исследований была применена с целью исследования последствий тектонического землетрясения. Результаты измерений представлены на рис.

Как видно из графиков на рис. с января по март в подземных водах наблюдалось постоянное, в пределах погрешности измерений ( 0,1%), изотопное отношение аргон-40/аргон-36, типичное для атмосферного воздуха (295,6 / 0,25). Содержание метана и водорода не превышает погрешности измерений ( 0,01%) за период с января по май.

Однако с апреля начинается изменение изотопного отношения, максимум которого достигается в мае. При этом соответственно содержание аргона-40 увеличивается на 0,58%. Постепенно величина изотопного отношения аргона возвращается к исходному состоянию (июнь). Начиная с мая в подземных водах наблюдательной скважины появляются метан и водород, которые выделяются из калийных солей по мере их растворения. Концентрации метана и водорода в подземных водах увеличиваются относительно первоначального уровня более чем в 60 раз и достигают величин больших, чем дополнительное увеличение концентрации радиогенного аргона. Уменьшение концентраций метана и водорода во времени медленнее, чем наблюдаемое уменьшение концентрации аргона. Указанные измерения позволяют смоделировать процесс разрыва водозащитной толщи следующим образом.

Вследствие тектонического землетрясения постепенно разрушился первый слой водозащитной толщи, что привело сразу же к появлению дополнительного радиогенного аргона-40 в подземных водах. Затем происходил размыв первого нерабочего прослоя калийных солей, что вызвало выделение метана и водорода, растворенных в этих солях. Дальнейшее развитие процесса приостановилось. В настоящее время аргоновый метод контроля взят на вооружение экологическими службами рудников на месторождениях калийных солей.

Метод определения абсолютного возраста аргоновый -- основан на накоплении Аr⁴⁰ в калийсодержащих материалах и пород за счет радиоактивного распада К⁴⁰. Предложен и разработан в СССР Герлингом (1949). Расчет возраста производится по формуле

учитывающей скорость распада К⁴⁰ (лk и лв) и содер. Аr⁴⁰ и К⁴⁰ в исследуемом образце. Теоретически для определения возраста аргоновым методом могут быть использованы любые калийсодержащие породы и минералы. Для получения надежных данных необходимо, чтобы материал (или порода) с момента образования оставался закрытой системой по отношению к Аr и К. Наиболее частая причина искажения возраста -- утечка радиогенногоаргона, которая приводит к омоложению возраста. Значительно более редки случаи искажения возраста засчет присутствия избыточного аргона в исследуемом образце. Утечка радиогенного аргона из материалов происходит под влиянием более поздних геол. воздействий, гл. обр. термальных, и зависит от устойчивости материала, с одной стороны, и интенсивности процесса -- с другой. Для определения возраста аргоновым методом наиболее широко используются слюды, амфиболы, глаукониты. Калиевые полевые шпаты рационально использовать только для датирования молодых (кайнозойских) образований из-за плохой сохранности аргона в этих материалах. М. о. а. в. а. позволяет датировать геол. образования в широком диапазоне времени -- от древнейших пород земной коры до неогеновых включительно. Верхняя граница возраста, доступного 'для измерения, ограничивается чувствительностью применяемых в лаборатории методов определения аргона. Практическая ценность результатов в большой степени зависит от правильного выбора, материала для анализа.

Метод определения абсолютного возраста аргоновый-активационный -- используется гл. обр. для определения возраста очень молодых калийсодержащих пород и минералов (1 млн. лет и моложе). Содержание радиогенного аргона (Аr⁴⁰) в них количественно определяется по наведенной активности Аr⁴¹, полученной в результате облучения Аr⁴⁰ тепловыми нейтронами. М. о. а. в. а. а. до настоящего времени не имеет широкого применения из-за сложности.

Изотопы аргона

Индексами 'm', 'n', 'p', 'q' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; ?2200,2(18) означает ?2200,2 ± 1,8.

5. Рубидий

Изотопы рубидия -- разновидности атомов (и ядер) химического элемента рубидия, имеющие разное содержание нейтронов в ядре.

В природе существуют два изотопа рубидия : стабильный ⁸⁵Rb (содержание в натуральной смеси: 72,2 %) и бета-радиоактивный ⁸⁷Rb (27,8 %). Период полураспада последнего равен 49,23 млрд лет (в 11 раз больше возраста Земли). Продукт распада -- стабильный изотоп стронций-87. Постепенное накопление радиогенного стронция в минералах, содержащих рубидий, позволяет определять возраст этих минералов, измеряя содержание в них рубидия и стронция (см. Рубидий-стронциевый метод в геохронометрии). Благодаря радиоактивности ⁸⁷Rb природный рубидий обладает удельной активностью около 670 кБк/кг.

Искусственным путём получены 30 радиоактивных изотопов рубидия (в диапазоне массовых чисел от 71 до 102), не считая 16 возбуждённых изомерных состояний.

Изотопы рубидия

6. Стронций

Среднее содержание стронция в земной коре 3,4*10-2% (по массе). Магматические средние горные породы содержат несколько больше стронция (8,0*10-2%), чем осадочные (4,5*10-2%), основные (4,4*10-2%), кислые (3*10-2%) иультраосновные (1*10-3%) горные породы. Известно около 30 минералов стронция, важнейшими из которых являются целестин SrSO₄ и стронцианит SrCO₃; помимо этого практически всегда присутствует в минералах кальция, калия и бария, входя в виде изоморфной примеси в их кристаллической решётке. Поскольку из 4 природных изотопов стронция один (⁸⁷Sr) постоянно накапливается в результате ядерного-распада ⁸⁷Rb, изотопный состав стронция (отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) используется в геохимических исследованиях для установления генетических взаимоотношений между различными комплексами пород, а также для определения их радиометрического возраста (при условии одновременного определения содержания рубидия в исследуемых объектах). Радиоактивный ⁹⁰Sr служит источником загрязнения окружающей среды (до прекращения атмосферных ядерных испытаний был одним из главных факторов радиоактивного загрязнения).

6.1 Стронций-90

Радиоактивный нуклид химического элемента стронция с атомным номером 38 и массовым числом 90. Образуется преимущественно при делении ядер в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Образование и распад

Стронций-90 является дочерним продуктом в?распада нуклида ⁹⁰Rb (период полураспада составляет 158 c) и его изомеров c:

В свою очередь, ⁹⁰Sr претерпевает в?-распад, переходя в радиоактивный иттрий ⁹⁰Y (вероятность 100 %, энергия распада 545,9(14) кэВ):

Нуклид ⁹⁰Y также радиоактивен, имеет период полураспада в 64 часа и в процессе в?-распада с энергией 2,28 МэВ превращается в стабильный ⁹⁰Zr.

Изотоп стронция ⁹⁰Sr является радиоактивным с периодом полураспада 28.9 лет. ⁹⁰Sr претерпевает в-распад, переходя в радиоактивный ⁹⁰Y (период полураспада 64 ч.) Полный распад стронция-90, попавшего в окружающую среду, произойдет лишь через несколько сотен лет. ⁹⁰Sr образуется при ядерных взрывах и внутри ядерного реактора во время его работы.

Применяется в производстве радиоизотопных источников тока в виде титаната стронция (плотность 4,8 г/смі, а энерговыделение - около 0,54 Вт/смі).

Метод определения абсолютного возраста стронциевый -- основан на накоплении Sr⁸⁷ в рубидий-содержащих горных породах и минералах за счет радиоактивного распада Rb87. Возраст рассчитывается по формуле:

где л -- константа распада рубидия, Rb⁸⁷ и -- содер. Rb и радиогенного Sr в анализируемом образце. Первые определения возраста стронциевым методом были выполнены Аренсом в 1947 г. на богатом Rb минерале -- лепидолите. В настоящее время благодаря развитию высокочувствительных методов анализа стронциевый метод используется для датирования разнообразных геол. материалов. Наиболее перспективно применение стронциевого метода к валовым пробам г. п. При определении возраста горных пород с низким содер. Rb (<0,1%) возрастает значение правильного внесения поправки на обычный Sr, содер. первичный Sr⁸⁷. Для определения возраста таких п. и м-лов широко применяется графическая обработка результатов анализа или т. н. метод изохрон. Этот метод в приложении к серии когенетичных образцов горных пород дает возможность установить время их образования, а в приложении к минералам этих же горных пород -- время их метаморфизации.

Изотопы стронция

7. Уран

Основное применение урана в геологии -- определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. Этим занимается геохронология. Существенное значение имеет также решение задачи о смешении и источниках вещества.

В основе решения задачи лежат уравнения радиоактивного распада:

где ²³⁸Uo, ²³⁵Uo -- современные концентрации изотопов урана; ; --постоянные распада атомов соответственно урана ²³⁸U и ²³⁵U.

Весьма важным является их комбинация:

Здесь:

В связи с тем, что горные породы содержат различные концентрации урана, они обладают различной радиоактивностью. Это свойство используется при выделении горных пород геофизическими методами. Наиболее широко этот метод применяется в нефтяной геологии при геофизических исследованиях скважин, в этот комплекс входит, в частности, г -- каротаж или нейтронный гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и т. д. С их помощью происходит выделение коллекторов и флюидоупоров.

Изотопы урана -- разновидности атомов (и ядер) химического элемента урана, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На данный момент известны 26 изотопов урана и еще 6 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе встречаются три изотопа урана: ²³⁴U (изотопная распространенность 0,0055 %), ²³⁵U (0,7200 %), ²³⁸U (99,2745 %).

Нуклиды ²³⁵U и ²³⁸U являются родоначальниками радиоактивных рядов -- ряда актиния и ряда радия соответственно. Нуклид ²³⁵U используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии (благодаря тому, что в нём возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция). Нуклид ²³⁸U используется для производства плутония-239, который также имеет чрезвычайно большое значение как в качестве топлива для ядерных реакторов, так и в производстве ядерного оружия.

Изотопы урана

Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N).

Неуверенно определённые значения спина и/или его чётности заключены в скобки. Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; ?2200,2(18) означает ?2200,2 ± 1,8.

8. Свинец

Весь свинец в основном является смесью изотопов 204Pb, 206Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb. Эти изотопы не радиоактивны, то есть стабильны, но изотопы 206Pb, ²⁰⁷Pb,²⁰⁸Pb являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно ²³⁸U,²³⁵U и ²³²Th. Изотоп ²⁰⁸Pb является одним из пяти существующих в природе ядер с дважды магическим числом. Схемы радиоактивного распада имеют вид: ²³⁸U > ²⁰⁶Pb + ⁸⁴He; ²³⁵U > ²⁰⁷Pb + ⁷⁴He; ²³²Th > ²⁰⁸Pb + ⁶⁴He.

Уравнения распада имеют вид соответственно:

где ²³⁸U,²³⁵U,²³²Th -- современные концентрации изотопов; год^-1, год^-1,год-- постоянные распада атомов соответственно урана ²³⁸U, урана ²³⁵U и тория ²³²Th.

Кроме этих изотопов, известны и нестабильные изотопы 194Pb -- ²⁰³Pb, ²⁰⁵Pb, ²⁰⁹Pb -- ²¹⁴Pb. Из них наиболее долгоживущие -- ²⁰²Pb и ²⁰⁵Pb (с периодами полураспада 52,5 тысяч и 15,3 млн лет). Короткоживущие изотопы свинца ²¹⁰Pb (радий D), ²¹¹Pb (актиний B), ²¹²Pb (торий B) и ²¹⁴Pb (радий B) имеют периоды полураспада соответственно 22,2 года, 36,1 мин, 10,64 ч и 26,8 мин (в скобках приведены редко используемые исторические названия этих изотопов); эти четыре радиоактивных изотопа входят в состав радиоактивных рядов урана и тория и, следовательно, также встречаются в природе, хотя и в крайне малых количествах.

Количество ядер изотопа ²⁰⁴Pb (нерадиогенного и нерадиоактивного) является стабильным, в минералах свинца концентрация ²⁰⁴Pb во многом зависит от концентрации радиогенных изотопов, образованных как в процессе распада радиоактивных ядер, так и в процессах вторичного преобразования свинец содержащих минералов. Поскольку число радиогенных ядер, образовавшихся в результате радиоактивного распада, зависит от времени, то и абсолютные, и относительные концентрации зависят от времени образования минерала. Этим свойством пользуются при определении возраста горных пород и минералов.

Распространённость изотопов свинца