Закономерности изменения и распространения изотопов

В геологической науке большое значение имеет восстановление картины прошлой жизни горных пород, их генезиса, условий в которых они образовались, времени формирования. Эти вопросы оставались бы загадкой и сейчас, но в 1918 г. Ф. Содди предположил существование изотопов («то же самое место»), с помощью которых они решаются. Изотопы – это ядерные виды или нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массами, занимающие одну и ту же клетку в Периодической системе. Поэтому атомная масса химического элемента определяется как среднее из суммы масс атомов природных изотопов и выражается в атомных единицах массы (а. е. м.). Изотопы бывают стабильные (260) и нестабильные (около 1400). По одному изотопу имеют 21 элемент (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th). Относительное содержание количества природных изотопов одного химического элемента выражается в процентах. Например, если содержание изотопа Rb составляет 72,15 %, то из 10 000 атомов рубидия в каком-либо образце на долю этого нуклида приходится 7 215 атомов.

Все известные изотопы делятся на четыре типа в зависимости от четного или нечетного числа протонов (Р) и нейтронов (N) в их составе соответственно: четный-четный, четный-нечетный, нечетный-четный, нечетный-нечетный. Изотопы типа четный-четный наиболее распространены в природе и стабильны. Некоторые из них имеют массовое число кратное четырем (¹⁶О, ²⁴Мg, ²⁸Si, ⁴⁰Ca, ⁵⁶Fe) и входят в состав главных химических элементов литосферы.

По изотопному составу элементов отмечены следующие закономерности (Н. А. Титаева, 2000). У большинства элементов преобладают изотопы с четным атомным номером и только у семи, преимущественно легких элементов (H, Li, B, K, V, La, Ta), – с нечетным атомным номером. Следующие элементы – Cl, Cu, Ga, Br, Rb, Ag, Sb, Eu, Ta, Re, Ir, Tl– состоят из изотопов только с нечетными атомными номерами. Наиболее богаты изотопами элементы в средней части Периодической системы: Sn (10 изотопов), Xe (9), Te, Cd (по 8), многие тяжелые элементы имеют по 7 изотопов. Под действием космического облучения в атмосфере протекают реакции:

¹⁴N + n^o → ¹²C + ³H → ³He,

¹⁴N + n^o → ¹⁴C + ¹Н.

Они являются источником ¹⁴С, ³Т, ³Не. В течение геологических отрезков времени атомы разрушаются и образуются, превращаются в другие и распадаются.

Все тяжелые изотопы начиная с порядкового номера Z > 82 радиоактивны. Ядра неустойчивых атомов распадаются самопроизвольно, сопровождаясь эмиссией частиц (α, β) или излучением энергии (γ). Этот процесс называется радиоактивностью. Альфа-лучи представляют собой потоки высокоскоростных частиц – ионов гелия, бета-лучи – потоки электронов, гамма-лучи – электро­маг­нит­ные волны с большой энергией. Некоторые атомы распадаются двумя или тремя способами, большинство – одним, что приводит к превращению атома одного элемента в атом другого, чаще стабильного. Массовое число этих изотопов уменьшается на четыре после каждого акта α-распада. Типы изотопов при этом не изменяются.

Количество природных изотопов ²³⁸U, ²³⁵U, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb в ранние стадии существования планеты было значительно больше. За геологическое время их атомы распадались, увеличив количество изотопов свинца с атомными массами 206, 207 и 208, аргона-40, стронция-87 и др. Некоторые атомы – продукт распада трансурановых элементов нептуниевого ряда. Часть ⁴⁰Са образуется вследствие β-распада ⁴⁰К, часть атомов молибдена является конечным продуктом деления атомов урана, повышение ксенона-129, 131 – следствие радиоактивного распада.

Для некоторых изотопов, начиная с ⁸⁴Ро, характерна природная радиоактивность (нестабильные изотопы). Радиоактивные свойства атомов определяются строением ядер, а не структурой электронных оболочек.

Основной характеристикой радиоактивных изотопов является константа распада – период полураспада (Т_1/2). Это время, в течение которого распадается половина атомов любого радиоактивного изотопа. Период полураспада определяется внутренними свойствами радиоактивных изотопов.

Изотопы одного элемента имеют различные энергии химической связи и активации в химических реакциях. Это влияет на скорость химических реакций, в которых участвуют молекулы с разными изотопами и определяет разную подвижность изотопно-разных атомов или молекул, что является причиной их разделения в процессе миграции. Такое разделение называется изотопным фракционированием и несет важную информацию о геохимических процессах.

Правильная интерпретация результатов изотопного фракционирования должна учитывать многофакторность этого процесса. Например, фракционирование может быть результатом испарения, физической абсорбции, растворения, плавления, кристаллизации, различных химических реакций, включая биогеохимические и катализируемые ферменты. Наибольшее фракционирование присуще для легких элементов, так как у них значительная разница между массами изотопов. Например, изотоп водорода протий (¹Н) и дейтерий (²Н или D) различаются по массам в два раза или на 100 %, тогда как разница масс изотопов тяжелых химических элементов не существенна. Для урана (238 и 235) она составляет 1,28 %.