Распространенность нуклидов в природе

Окружающая природа создана из 8 ХЭ. Наиболее распространенными ХЭ являются (% масс. земной коры): кислород (47), кремний (29,5), алюминий (8,05), железо (4,65), кальций (2,96), натрий (2,5), калий (2,5) и магний (1,87). Их суммарное содержание более 99%. Следовательно, на долю остальных приходится менее 1%. Из этой «восьмерки» алюминий и натрий представлены единственным видом атомов (²⁷А1 и ²³Na); у других – один из изотопов имеет резко преобладающее содержание (¹⁶О, ²⁸Si, ⁵⁶Fe, ⁴⁰Ca, ³⁹K, ²⁴Mg). Таким образом, перечисленные изотопы являются тем материалом, из которого фактически построена вся «земная твердь». Главными компонентами атмосферы являются изотопы ¹⁴N и ¹⁶O. Наконец, водное пространство – сочетания того же изотопа кислорода ¹⁶O с легким изотопом водорода (¹Н). Водород, кислород вместе с углеродом, азотом, фосфором и серой входят во все растительные и животные организмы, в связи с чем, их выделяют в особую группу элементов – органогенов.

Таким образом, получается, что всего десять стабильных изотопов в решающей степени (по весу) обусловливают бесконечное разнообразие неорганической и органической природы.

Эти выводы имеют особо важное значение, указывая на единство состава земных и окружающих космических тел и тем самым подтверждается гипотеза об общности их происхождения всего вещества Солнечной системы. Такое постоянство отношения изотопов указывает на то, что вещество было сварено в одном котле.

Впервые таблица распространенности элементов была составлена Г. Зюссом и Г. Юри в 1956 году на основе химического состава земной коры, метеоритов и Солнца. Современные данные о распространенности нуклидов представлены на рис. 1, отражающего зависимостью содержания нуклидов от массового числа А. График завершается последними устойчивыми изотопами Pb и Bi и иллюстрирует многие особенности, отражающие характерные свойства различных процессов нуклеосинтеза. Среди наиболее заметных особенностей выделяется пик группы железа, содержание элементов в котором на 2-3 порядка выше, чем на сглаженной части. Имеются также небольшие двойные пики вблизи массовых чисел 90, 135 и 190, 210

Рисунок 1. Распространенность ХЭ

В настоящее время доказано, что синтез элементов постоянно происходит в звездах, причем на разных стадиях их эволюции. Наиболее активна стадия зарождения звезды и гибели (взрыва) сверхновой.

Примерная схема:

1. 3⁴He →¹²C

2. ¹²C + ⁴He →¹⁶O + γ.

3. ¹⁶O + ⁴He →²⁰Ne +

4. ¹⁴N + ⁴He →¹⁸F + γ, ¹⁸F →¹⁸O + e⁺, ¹⁸O + ⁴He →²²Ne + , ¹⁸O +⁴He →²¹Ne + n

5. ²⁰Ne(⁴He, ) → ²⁴Mg

6. ²⁴Mg + р →²⁵Al + γ.

В основе реакций ядерного синтеза лежит цикл горения ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O, ¹⁸O.

Для образования ХЭ важное значение имеет цикл «горения» ¹⁶O, в результате которого образуются ²⁸Si, ³¹P, ³¹S, или ³⁰Si, ²⁴Mg, ²⁷Al.

Ядра ⁵⁶Ni в результате двух β- распадов превращаются в ⁵⁶Fe. Горение кремния является конечной стадией термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа, обладающие максимальной удельной энергией связи. Последующий термоядерный синтез в результате присоединения легких ядер ядрами группы железа не имеет места, так как этот процесс должен протекать только с поглощением энергии.

Общепризнанной является гипотеза, объясняющая образования легких ядер (Li, Be, B) при реакции деления ядер C, N, O в результате столкновений с ядрами H и He либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков. Космические лучи – это поток заряженных частиц, содержащие ядра атомов достаточно большой массы и энергии, которые заполняют пространство Галактики. Считается, что основным источником космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. В космических лучах содержание Li, Be, B приблизительно на пять порядков больше, чем в звездах.

В настоящий момент доказано, что источником тяжелых элементов являются взрывы сверхновых звезд. На начальном этапе развития эти звезды в 8-10 раз больше Солнца. Процессы сгорания исходного топлива при синтезе гелия проходят в 2 раза интенсивнее и при возрасте звезды ~ 4 млрд. лет все топливо выгорает и она превращается в красного гиганта. При падении температуры внутри звезды силы гравитации начинают превосходить силы расширения. Возникает сжатие до размеров солнца и взрыв. В этот момент происходит синтез тяжелых элементов.

Те или иные совокупности изотопов образуются благодаря различным ядерным реакциям. Получила достаточно удовлетворительное объяснение космическая распространенность элементов, которая заметно отличается от земной. Так, господствующими в космосе оказываются водород и гелий. Однако по мере увеличения Z это различие становится менее выраженным. «Каркас» современного изотопного состава элементов на Земле был построен многие миллиарды лет назад, а его «доводка» связана уже с процессами, происходившими на протяжении истории нашей планеты.

Природный ядерный реактор. В качестве примера такой доводки можно привести сенсационное сообщение в печати французских ученых (В 1972 г.) о том, что в урановом руднике Оккло, находящемся в государстве Габон, расположенном в Юго-Западной Африке у берегов Атлантического океана, ими обнаружен уран с крайне необычным изотопным составом (рис. 2). При этом утверждалось, что такой изотопный состав возник в результате протекавшей в этом районе около 1,8 миллиарда лет назад цепной реакции деления ядер урана. В общем, в своем сообщении французские ученые предположили, что 1,8 миллиарда лет назад в природе произошел ядерный взрыв.

В ходе цепной реакции (в том числе и приводящей к ядерному взрыву) изотопный состав урана изменяется. На рис. 2 показаны изотопные отношения урана, измеренные для руды в Оккло. Полученные значения имеют разброс до 40%, тогда как повсюду за пределами Оккло это значение остается практически постоянном (137,8), проявляя примечательную устойчивость. И необычно большие изотопные отношения урана можно объяснить, исходя из предположения о природном ядерном взрыве.

Рисунок 2. Изотопное отношение урана (U₂₃₈/U₂₃₅) из рудника Оккло

Следует отметить, что возможность природного ядерного взрыва в прошлом уже была предсказана к тому времени теоретически. Для того чтобы самопроизвольно началась цепная реакция, природный уран должен был быть в достаточной степени обогащен ураном-235, содержание которого в природном уране в настоящее время не превышает 0,72%. Дело в том, что сколько ни собирай вместе урана-238 (основного изотопа природного урана), цепная реакция не начнется. При распаде урана возникают быстрые нейтроны, которые, сталкиваясь с ядрами урана 235, вызывают его радиоактивный распад, а 238 их поглощает, при этом не распадаясь. Так как количества урана 238 значительно больше, чем урана 235, то цепная реакция не может возникнуть, так как все нейтроны окажутся поглощенными. Поэтому-то, для получения более эффективного горючего из природного урана для ядерных реакторов необходимо путем очень сложных и дорогостоящих операций повысить в нем концентрацию урана-235.

С другой стороны, в далеком прошлом соотношение между изотопами урана было иным. Уран-238 обладает очень длительным периодом полураспада – 4,5 миллиарда лет по сравнению с ураном-235, имеющим период полураспада 700 миллионов лет. И если мы мысленно отправимся в прошлое, то количество урана-235, имеющего более короткий период полураспада, станет быстро увеличиваться по сравнению с ураном-238. Сейчас количество урана-235 в природном уране не превышает 0,72%, а 1 миллиард лет назад оно уже должно было составлять около 2%.

Есть еще одно условие. Чтобы «разжечь» ядерное топливо, необходимо замедлить нейтроны так что, уран 238 их не сможет поглощать, а уран-235, поглощая их, распадается. Этот принцип используется в ядерных реакторах. В качестве замедлителя нейтронов в реакторах используется графит и тяжелая вода. Чтобы «заглушить» цепную реакцию, графитовые стержни выводят из реактора. Обычная вода тоже может быть использована как замедлитель нейтронов. Поэтому одним из условий, необходимым для начала цепной реакции, даже в обогащенном природном уране, является наличие воды. Правда, нигде за пределами Оккло следов подобного природного ядерного реактора не обнаружено.

Таким образом, соотношение изотопов в ЗК млрд. лет назад отличались от современного в сторону увеличения изотопов с меньшим периодом полураспада. Цепные реакции ядерного распада на Земле и окружающем космосе являются исключительным явлением и не играют заметной роли в распределении вещества в ОС. Однако, это указывает другой аспект – в природе оказывается возможно невозможное!

Однако, широко распространенные в природе U²³⁸ и U²³⁵, а также Th²³² в процессе радиоактивного распада превращаются в Pb²⁰⁸, Pb²⁰⁷ и Pb²⁰⁶. Различное соотношение радиоактивных элементов в образце горной породы или в минерале влияет на соотношение изотопов свинца в этом же образце. Такова же схема изменения отношений изотопов при распаде К⁴⁰, Rb⁸⁷, образующих в процессе распада стабильные изотопы Аг⁴⁰, Sr^S7 и Os¹⁸⁷.

Как видим, отношения изотопов в свинце, аргоне, стронции, осмии и в ряде других элементов зависят от количества радиоактивных элементов или радиоактивных изотопов элементов, присутствующих в породе, и в разных образцах оказываются резко различными.

Разделение изотопов в природе. Стабильные изотопы подвержены гораздо меньшим колебаниям, поскольку химические и физические свойства изотопов очень близки. Все же существуют некоторые природные процессы (например, испарение воды), которые приводят к измеримому смещению отношений изотопов. При этом, чем легче элемент и чем больше разница в атомных весах его изотопов, тем скорее и глубже может пройти изотопное разделение. Значительный сдвиг изотопных отношений установлен для водорода, бора, углерода, кислорода, серы. Отношение изотопов водорода и кислорода воды, например, изменяется при испарении воды с поверхности океанов. Вода в паровой фазе заметно обогащается более легкими изотопами. Поэтому дождевые и речные воды также всегда обогащены легкими изотопами по сравнению с океаническими водами. Наибольшая концентрация легких изотопов водорода и кислорода обнаружена в полярных льдах Антарктиды.

Г. Юри установил, что равновесное содержание изотопов С = ¹⁸О/¹⁶О карбонатов и воды зависит от температуры воды.

В воде ¹⁸О/¹⁶О = 1/500, а карбонатах при 0 град. С= 1, 022/500, при 25 град. С = 1,026/500.

,

где R = ¹⁸О/¹⁶О в исследуемом образце, R₀ – в эталонном.

Четкое смещение отношения изотопов кислорода происходит при обмене изотопов между СаСО₃ и водой. В равновесных условиях этот обмен зависит от температуры. Полагая, что изотопный состав океанической воды в течение геологического времени оставался постоянным, можно по изотопному составу кислорода в ископаемых известковистых раковинах рассчитать температуру воды, в которой обитало умершее животное. На этом основан палеотемпературный метод, который позволяет восстанавливать температуру древних морей с точностью, превышающей ±1°С.

Значительное разделение изотопов углерода и серы происходит в биосфере. Так, углерод органических веществ всегда обогащен легким изотопом С¹² по сравнению с углеродом углекислого газа и карбонатов. Интересно, что изотопный состав углерода нефтей очень близок к составу органического углерода и практически одинаков для нефтей разного возраста, состава и местонахождения. На основе соотношения изотопов ¹⁴С и ¹³С производят датировки остатков живых организмов.

Радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста (от 60-100 лет до 50-60 тыс. лет) основан на следующем

В природе встречаются несколько изотопов углерода:

• стабильные ¹²С (98.9%), ¹³С (1.1%)

• радиоактивные ¹⁴С (10^-10%), который образуется постоянно в атмосфере за счет излучения Солнца. ¹⁴С в виде углекислого газа поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Радиоактивные изотопы ¹⁴С распадаются с образованием β–частиц, превращаясь в стабильные изотопы ¹³С. Соотношение ¹³С /¹⁴С при жизни организма поддерживается на постоянном уровне и одинаково для всех живых организмов.

• Если растение отмирает, то с этого момента происходит постоянное уменьшение в нем содержания ¹⁴С за счет его радиоактивного распада.

• Зная период полураспада ¹⁴С, можно по его количеству в растительных остатках или гумусе определить время, прошедшее с момента гибели по останкам организмов.

• Период полураспада радиоактивного изотопа ¹⁴С равен 5780 ±40 лет.

Смещение изотопного состава при сульфат редукции. Отношение изотопов серы изменяется в процессе восстановления сульфатов, которое идет обычно под влиянием сульфатредуцирующих бактерий. Сера образующегося сероводорода обогащается при этом легким изотопом, а сульфат, оставшийся невосстановленным, наоборот, обогащен тяжелым ³⁴S. В результате постоянно идущего восстановления части сульфатов, растворенных в океанической воде, оставшийся сульфат оказывается сильно обогащенным (на 2%) тяжелым изотопом ³²S по сравнению со средним изотопным составом серы земной коры. Это обогащение стабильно во всех океанах, на различных глубинах. Обогащение океанических сульфатов тяжелым изотопом серы ха­рактеризует отложения всех геологических эпох. Таким образом, сделанный выше вывод о постоянстве изотопного состава элементов разного происхождения является, по-видимому, лишь первым приближением к истине. Всего вероятнее, что дальнейшее уточнение методов исследования позволит заметить различия в изотопном составе, кроме перечисленных выше, и других элементов. Благодаря этому состав нашей планеты и других космических тел, происхождение и миграция элементов – эти важнейшие проблемы современной геохимии – получат более полное и глубокое освещение.

Поиск по сайту: