Microsoft PowerPoint durayli izotoplar



Yüklə 69,02 Kb.

tarix06.02.2018
ölçüsü69,02 Kb.


DURAYLI İZOTOPLAR

Prof. Dr Miraç AKÇAY ‘ın Jeokimya (KTÜ) kitabından Yararlanılmıştır.




• Her hangi bir atom, çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayıları 

yardımıyla kolaylıkla tanımlanabilir.

Proton sayısı 



(Z) elementlerin atom numarasını, 

nötron sayısı 

(N) ise 

nötron numarasını verir. 

• Bir atom çekirdeğindeki proton ve nötronların toplam sayısı ise 

atomun 


kütle numarasını 

(A) ifade eder.

• Buna göre bir atom çekirdeğinin bileşimi

A=Z+N    Formülüyle ifade edilir. 

Elementlerin atom çekirdeklerinin tanımlanabilmesi açısından kolaylık

sağlaması düşüncesiyle, periyodik tablolarda her elementin kütle

numarası (A) ve atom numarası (yani) proton sayısı (Z) belirtilir.

• Kütle numarası üst indis olarak

,

atom numarası ise alt indis



olarak yazılır.

Böylece , O16/8 oksijen atomunun çekirdeğinde 8 proton bulunduğunu

ve dolayısıyla nötr halde atom çekirdeği etrafında toplam 8 adet elektron

olduğunu, çekirdekte toplam 16 tane proton ve nötron bulunduğunu

gösterir



Doğada varlığı bilinen elementler, atom numarası (Z) Y ekseninde, nötron numarası (N)

X ekseninde olacak tarzda bir X‐Y grafiğine yerleştirildiğinde,

herhangi bir atom

numarasına sahip olan bir elementin farklı nötron sayılarına sahip birkaç atomdan

oluştuğu görülür



• Bu şekilde,

aynı atom numarasına sahip olan, fakat nötron sayıları

farklı olan atomlar birbirlerinin izotopları olarak isimlendirilirler

.

• Diğer bir deyişle, izotoplar, bir elementin proton sayısı aynı, fakat



nötron sayısı farklı atomlarıdır.

• Bu nedenle izotoplar birbirlerine son derece benzer kimyasal

özelliklere sahiptir.

• Sadece kütlelerinde farklılık söz konusudur.




• Z‐N grafiğinde düşey olarak sıralanan ve nötron sayıları aynı, fakat proton sayıları 

farklı atomlar 

izoton (isotone) olarak 

adlandırılırlar. 

• Yani izotonlar, farklı elementlerin atomlarına karşılık gelmektedir. Aynı 

diyagramda çapraz konumda bulunan ve kütle numaraları (A) aynı olan atomlar 



da 

izobar 

olarak adlandırılırlar. Bu tür atomların proton (Z) ve nötron (N) sayıları 

farklıdır.




• Bu tanımlar arasında jeokimyasal olarak en önemli olan izotoplardır

.

• Şu ana kadar evrende toplam 112 farklı elementin bulunduğu tespit 



edilmiş olmasına karşın, bu elementlere ait 1700 civarında farklı atom 

çekirdeğinin bulunduğu bilinmektedir.

• Bunlardan bir kısmı zamana bağlı olarak başka atom çekirdeklerine 

dönüşebilirler. 

• Diğer bir deyişle bazı izotoplar yarılanma ömrü denen belirli bir zaman 

dilimi içinde radyoaktif olarak parçalanarak başka bir elementin bir 

izotopu haline dönüşebilirler. Örnek olarak 

87

Rb'un 



86

Sr'a dönüşmesi gibi.

Bu tür izotoplar duraysız (radyojenik veya radyoaktif) izotoplar olarak 



adlandırılırlar 

ve 


kayaçların yaş tayinlerinde kullanılırlar

• Buna karşın bazı izotoplar da zaman içinde başka İzotoplara dönüşmezler 



ki bu tür izotoplara da 

duraylı izotoplar denir.


• Duraylı izotoplar, zamana bağlı olarak değişime uğramadıklarından,

herhangi bir jeolojik olayın gelişiminde yol gösterici olarak kullanılabilirler

.

• Örneğin, bir maden yatağının oluşması esnasında rol oynayan çözeltilerin



ne tür bir kaynaktan geldiği,

yani suyun magmatik mi, meteorik mi yoksa

deniz suyu mu olduğu, bu tür duraylı izotoplar yardımıyla belirlenebilir

.

Bilinen bütün elementler arasında sadece 21 tanesi saftır, yani tek bir



izotopu vardır.


• Duraylı olan izotoplar bütün izotoplar arasında daha az bir oran tutar (260 duraylı

izotop / 1700 duraysız izotop; Şekil 9.1). Buna göre izotopların duraylı olması bir 

istisnadır. Zira nötron sayısı‐proton sayısı diyagramında (Şekil 9.1) duraylı

izotoplar diyagramın orta kesiminde yer almakta ve her iki taraflarından duraysız

izotoplar tarafından çevrelenmektedirler. 

Yani, duraylı izotoplarda nötron ve 

proton sayıları yaklaşık eşittir

(N/Z~1). Bu oran, proton sayısı 20 den az olan 

izotoplar için l iken, artan kütle numarası ile birlikte yaklaşık l,5'e kadar çıkabilir. 

Sadece    ve e izotoplarında nötron sayısı proton sayısından azdır.




2. DURAYLI İZOTOPLARIN JEOKİMYADA KULLANIMI

• Doğada bilinen 271 adet duraylı izotoptan sadece birkaçı, jeolojik amaçlı 

olarak kullanılabilir. 

• Bunlar atom numarası düşük olan, birden fazla duraylı izotopu olan ve 

kayaçlar içerisindeki bolluk dereceleri çok daha fazla olan elementlere 

ait izotoplardır: 

• hidrojen

oksijen



karbon


ve 

kükürt


.


• Bu elementlere (

hidrojen


oksijen


karbon


ve 

kükürt) 


ait izotopların bileşikleri 

içerisindeki bolluk dereceleri, değişik jeolojik, jeokimyasal ve coğrafik olaylara 

bağlı olarak sürekli değişim gösterir, yani farklılaşmaya uğrar. 

• Bu nedenle, bu duraylı

izotoplar maden yataklarının oluşumlarının 

yorumlanmasına dair yapılan çalışmaların ayrılmaz bir parçasıdır

• Li, B ve Si de izotop farklılaşmasına uğrayan izotoplara sahiptir



. Fakat bu 

elementler sadece belirli tür bileşikler içerisinde bulunduklarından 

(çok yaygın 

olmadıklarından) duraylı izotop çalışmalarında kullanılmazlar.

• Be, F, Na, Al ve P gibi bazı elementler de sadece tek duraylı izotopları olduğu 

için, yani herhangi bir izotop farklılaşması söz konusu olamayacağı için duraylı

izotop çalışmalarında kullanılamazlar.



• Ancak hiçbir jeolojik (maden jeolojik) çalışmada, bir şekilde (sistematik veya 

gelişigüzel olarak) araziden derlenmiş olan örneklerin tüm kayaç veya içerdikleri 

minerallerden bazıları üzerinde yapılacak izotop analizleri sonucunda elde 

edilecek olan sonuçların doğrudan yorumlanabilmesi mümkün değildir. 

Her izotop analiz sonucu ancak jeolojik verilerle birlikte 

ele alınırsa anlamlı olur. 

Duraylı izotop analizleri ile paralel gerçekleştirilmesi 

zaruri olan çalışmalar şunlardır

:

• Örnek derleme aşamasında yapılması gereken jeolojik ve yapısal gözlemler 



(ölçümler),

• Maden yataklarında mineral birlikteliği ve dizinimi,

• Cevher ve gang mineralleri arasında birlikte (dengede) oluşmuş olan mineral 

çiftlerinin belirlenmesi,

• Cevher ve gang minerallerinin mikroprob analizleri ile mineral kimyalarının 

belirlenmesi,

• Cevher ve gang mineralleri üzerinde sıvı kapanım çalışmaları (homojenleşme 

sıcaklığı,   tuzluluk,   sıvı/gaz hacim ölçümü,  gaz konsantrasyonu, kaynama 

belirtileri ...),

• Cevher ve yan kayaç üzerinde ana ve iz element çalışmaları




Bu çalışmaların yapılmış olması durumunda, duraylı izotop analizleri 

sonucunda elde edilen sonuçlar şu noktalarda çalışmalara direkt katkı 

sağlayabilir (Ohmoto, 1986):

• Sıcaklık, basınç ve oluşum derinliği gibi cevherin oluşumuna ait fiziksel 

oluşum şartları (jeotermometre olarak),

• Cevher oluşturucu çözeliticinin kaynağı ve kütlesi,    besleme sisteminin 

geometrisi ve hidrotermal faaliyetin toplam süresi gibi maden yataklarının ve 

sıcak su kaynaklarının hidrolojik özellikleri,

• Özellikle kükürt,   karbon ve metaller gibi cevher oluşturan bileşenlerin 

kaynaklan ve cevher oluşturan çözeltinin kimyasal bileşimi,

• Çalışılan minerallere ait redoks durumu   (oksijen potansiyeli), sülfat/sülfit 

oranı, metal/sülfit oranları, pH, CO

/CH


4

oranları,

• Metal ve kükürtün hidrotermal çözelti içinde taşınması ve cevher çökelimine

ilişkin mekanizmalar,

• Cevher oluşturucu magmaların kökeni ve oluşum işlemleri

Bu katkıların elde edilebilmesi için tek bir duraylı izotopun kullanılması yeterli 

değildir. Her ne kadar bütün duraylı izotoplar (H, O, C, S) bu katkılardan bir 

kısmını karşılayabilecek olsa da, her izotopun cevap verecek olduğu sorular 

ayrıdır ve bu nedenle cevap aranan soruya göre hangi tür izotop çalışmasının 

yapılacağına karar verilmelidir.




İzotop Farklılaşması

• Herhangi bir elemente ait izotopların (örneğin 

16

O, 


1S

O; 


32

S, 


34

S), o elementi 

barındıran bileşikler içerisindeki (örneğin H

2

O; FeS



2

) bolluk derecelerinin, 

değişik jeolojik, jeokimyasal, coğrafik, fiziksel ve kimyasal olaylar sonucunda 

değişim göstermesine izotop farklılaşması denir.

• H, C, O, S ve N gibi elementlerin izotoplarının, bileşikleri içerisindeki bolluk 

dereceleri kolaylıkla değişim gösterir (Çizelge 9.1). Buna karşın Li, B ve Si gibi 

elementlerin izotopları ise kolaylıkla farklılaşmazlar. İzotop farklılaşması, 

herhangi bir duraylı izotopun jeolojik ve jeokimyasal problemlerin 

çözümünde kullanılıp kullanılamayacağını denetleyen asıl etkendir. İzotop 

değişim reaksiyonları, duraylı izotop içeren moleküllerin reaksiyon 

hızlarındaki farklılıklardan kaynaklanan kinetik işlemler ve fızikokimyasal

etkenler izotop farklılaşmasına neden olan başlıca faktörlerdir.




3. HİDROJEN İZOTOPLARI

• Litolojik birimler içerisinde bünyesinde H elementi barındıran mineraller (Özellikle

sulu silikatlar) son derece boldur. Bunlara ilave olarak, hidrotermal çözeltilerin

etkileri sonucunda oluşan alterasyon mineralleri arasında da bu tür mineraller

bulunmaktadır

. Örnek olarak, klorit ve serizit cevher kütleleri içerisinde ve yan

kayaçlar içerisinde son derece yoğundur. Klorit, serizit, muskovit, serpantin ve talk,

hidrojen izotop analizi için kullanılabilecek olan minerallerdir.

• Ayrıca, değişik mineraller içerisindeki sıvı kapanımlar da hidrojen İzotop analizleri

için kullanılabilirler.

Ancak hidrojen izotopu sadece bu minerallerin H izotop

değerini ve sıvı kapanım içindeki suyun H izotop bileşimini belirlemek için kullanılır;

jeotermometre olarak kullanılamaz. Zira, sulu silikatların (örneğin kaolen‐serizit)

izotopik farklılaşma faktörleri sıcaklıktan bağımsızdır, minerallerin kimyasal

bileşimlerine son derece duyarlıdır (örneğin biyotit) ve bir çok sulu silikat için iyi

kalibre edilmemiştir. Sıvı ile mineraller arasında H değişiminin düşük sıcaklıklarda

bile çok kolaylıkla gerçekleşebilmesi; dolayısıyla, maden yatakları bünyesinde

oluşmuş olan sulu silikatların hidrojen izotop bileşiminin, sistem içerisinde daha

sonra etkili olan çözeltiler tarafından kolaylıkla değiştirilebilmesi hidrojen

izotopunun jeotermometre olarak kullanılmasını sınırlayan diğer bir etkendir (Çöle

ve Ohmoto, 1984).




Hidrojen izotop bileşimi belirlenmek istenen OH 

iyonu içeren mineral veya mineralleri içinde 

bulundukları kayaçtan ayırmak gerekir. Bunun için, 

kayaç gereken tane boyutuna göre öğütüldükten 

sonra, gerek ağır sıvılar kullanarak (mineralleri 

yoğunluk farklarına göre birbirlerinden ayırarak), 

gerekse manyetik ayırıcılar kullanarak mineral 

ayırımı gerçekleştirilir. Ayrılan mineralin 

bünyesindeki OH iyonu, değişik kimyasal 

yöntemlerle su olarak mineralden alınır. Bazı 

durumlarda OH iyonu H

2

gazı olarak elde edilir 



(Savın ve Epstein, 1970) ki, bu durumda H

2

gazının 



bakır oksit ile reaksiyona sokularak H2o'ya 

çevrilmesi gerekir. Elde edilen su yaklaşık 750 

°C'de uranyum üzerinden geçirilerek, H

2

gazına 



çevrilir ve bu gaz, H ve D izotoplarının göreceli 

bolluklarını belirlemek için kütle spektrometresi 

yardımıyla analiz edilir.



• Buna göre, sıvı ile bu mineraller arasındaki denge 

reaksiyonlarında, sıvı OH içeren silikatlı minerale 

nazaran D bakımından daha zenginleşir. Ayrıca, Mg 

ve Al bakımından zengin mineraller, Fe bakımından 

zengin minerallere göre, D bakımından daha 

zengindir. Bu nedenledir ki, muskovit kendisiyle 

dengede oluşan biyotite göre D bakımından daha 

zengin iken, dengede oluşmuş biyotit ve hornblend

benzer D/H oranları ve benzer Mg/Fe oranları 

içerirler.

• Şekil 9.5'te de görüleceği gibi, H izotop farklılaşması 

yüksek sıcaklıklarda son derece büyük değerlere 

erişmektedir (örneğin 400°C'de muskovit dengede 

bulunduğu sıvıya nazaran D bakımından yaklaşık 

%o27 daha zenginleşmiştir). H izotop farklılaşma 

faktörleri düşük sıcaklıklara Savİn ve Epstein (1970), 

Lawrence ve Taylor (1971) tarafından uyarlanmış 

olup, bu sıcaklıklarda farklılaşma çok daha az 

olmaktadır. Bu nedenle,



4. OKSİJEN İZOTOPLARI

• Oksijen doğada en bol bulunan elementtir. Gaz. sıvı ve katı bileşikler 

içerisinde bulunur. Bu tür oksijenli bileşikler çok geniş sıcaklık 

aralıklarında duraylı olduklarından oksijen, izotop jeokimyasında en 

kullanışlı elementlerden biridir. Oksijen elementinin 

16

O, 



17

O ve 


18

olmak üzere üç duraylı izotopu vardır. Doğadaki tüm oksijenin % 



99,762'sini 

16

O, % 0,038'ini 



17

O ve % 0,2'sini ise 

18

O oluşturur (Çizelge 



9.1). İzotop analizlerinde, bu üç izotoptan, en bol bulunan 

16

O ve 



18

izotopları kullanılır ve 



18

O/

16



O oranı ölçülür. Oksijen izotop analizleri, 

silikatlar, oksitler, karbonatlar ve sülfatlar ve ayrıca sıvı kapanımlar 

içerisindeki sıvının üzerinde yapılır






İzotopların tüm kimyasal özellikleri aynıdır ve aynı elemente

aittirler (proton sayıları eşit). Bir elementin izotoplarının özellikleri de

aynıdır. Sadece atom ağırlıkları farklıdır.

Örneğin, Cl atomunun 17 protonu, 17 de elektronu bulunmaktadır.

Ancak nötron sayısı ve buna bağlı olarak atom ağırlığı atomdan atoma

değişmektedir. Normalde 1 Cl atomunun ağırlığı,

A=17p +17n=34

olması gerekirken, nötron sayısının değişmesi sonucu,

A

1

=17p+18n=35 veya A



2

=17p+20n=37

olabilmektedir. Bu nedenle elementlerin çoğu tam sayılı bir atom

ağırlığı vermemekte ve izotop oranına göre ondalık kısım

değişmektedir.



Doğada 300’e yakın duraylı (stabile) izotop bulunmaktadır. Bunlar

jeolojik dönem içinde değişmezler. En çok duraylı izotopu olan

element, Sezyumdur (Cs, 30 izotop). Teknetiyum (Tc, Z=43) ve

Premesiyum (Pm, Z=61) gibi tek sayılı atom numarası olan bazı

elementlerin hiç izotopu bulunmamaktadır.

Bir atom büyüklüğü oranında duraysızdır. Tüm ağır elementlerin

(Z>82) atomları duraylı hale gelmek, yani fazla yükünü atmak için, ışın

yayarlar. Bunlara radyoaktif veya duraysız (instabile) izotop denir.

Yayılan ışınların en önemlileri alfa, beta ve gama ışınlarıdır.

Bu ışınların yayılmasiyla bir element zamanla, yani jeolojik

süreçte, başka izotopa dönüşür. Bunun sonucu olarak miktarı da azalır.

Bir radyoaktif izotopun miktarının yarısının değişimi için gereken

süreye Yarılanma Süresi (t

1/2


) denir.


Örneğin, yarılanma süresi t

1/2


=14,3 gün olan 100 g P izotopu,

14,3 gün sonra 50 g'a,

28,6 gün sonra 25 g'a ve

42,9 gün sonra 12,5 g'a düşer.

Radyoaktif etkinliklerle yayılan gama ışınları, röntgen ışını, olarak

kullanılırlar. Alfa ve beta ışınlarıysa, Tracer element (iz sürücü

element), yapay element ve nükleer enerji üretiminde (

235


U 3,9.109

kJ/g atom, en iyi kömür 1.910 kJ/t enerji verir) ve mutlak yaş tayi-

ninde kullanılırlar.

Bunların yanında ortam (karasal/denizel, ısı derecesi) ve köken



incelemelerinde duraylı izotoplardan yararlanılır.


Th-232 izotopunun yarılanması



Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə