duraylı izotoplar

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 87Rb'un 86Sr'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, CO2 /CH4 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 16O, 1SO; 32S, 34S), o elementi barındıran bileşikler içerisindeki (örneğin H2O; FeS2) 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 H2 gazı olarak elde edilir (Savın ve Epstein, 1970) ki, bu durumda H2 gazının bakır oksit ile reaksiyona sokularak H2o'ya çevrilmesi gerekir. Elde edilen su yaklaşık 750 °C'de uranyum üzerinden geçirilerek, H2 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 16O, 17O ve 18O olmak üzere üç duraylı izotopu vardır. Doğadaki tüm oksijenin % 99,762'sini 16O, % 0,038'ini 17O ve % 0,2'sini ise 18O oluşturur (Çizelge 9.1). İzotop analizlerinde, bu üç izotoptan, en bol bulunan 16O ve 18O izotopları kullanılır ve 18O/16O 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,
A1=17p+18n=35 veya A2=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 (t1/2) denir.
Örneğin, yarılanma süresi t1/2 =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 (235U 3,9.109
kJ/g atom, en iyi kömür 1.910 kJ/t enerji verir) ve mutlak yaş tayininde kullanılırlar.
Bunların yanında ortam (karasal/denizel, ısı derecesi) ve köken
incelemelerinde duraylı izotoplardan yararlanılır.
Th-232 izotopunun yarılanması