Badanie izotopów
Badania izotopów ustalenie proporcji izotopów do pierwiastka w próbce. Większość pierwiastków chemicznych ma wiele izotopów. Za pomocą spektrometru mas ten skład izotopu ( izotop ) można określić bardzo dokładnie (do nanogramów ilości próbki i, w zależności od pierwiastka i izotopu, do dokładności ppt ( 10-12 )).
Metoda pomiaru
Badanie izotopów prowadzi się metodą spektrometrii mas . W spektrometrze mas izotopy są odchylane od ich trajektorii w różnym stopniu, w zależności od ich masy i ładunku, i rejestrowane jako wartości szczytowe. Im wyższe stężenie izotopu, tym większa moc szczytowa. Do obliczenia składu izotopowego stosuje się normy międzynarodowe (różne dla różnych pierwiastków), które są mierzone razem z próbkami i mają określony skład izotopowy. Przykłady zastosowań do badań izotopów:
- Pomiar izotopów promieniotwórczych dostarcza wniosków na temat wieku konkretnego minerału - lub skały - sondy, patrz geochronologia i datowanie radiometryczne .
- Izotopy lżejszych pierwiastków (zwłaszcza węgla , tlenu , azotu , siarki , wodoru ) służą na przykład jako dowód regionalnego i klimatycznego pochodzenia żywności, takiej jak soki owocowe, lub warunków środowiskowych występujących podczas formowania się małży lub foraminifera - Muszle rządziły oceanem.
- W chemii organicznej badania izotopów z lżejszymi pierwiastkami służą do wyjaśnienia mechanizmów reakcji .
- Izotopy tlenu i wodoru mogą być wykorzystywane w ekologii roślin do określania źródeł wody w roślinach.
- Można zbadać przyczyny, skutki i zastosowania efektów izotopowych .
- Badając dystrybucję lub proporcje deuteru w cząsteczce organicznej za pomocą spektroskopii 2 H-NMR , można stwierdzić pochodzenie substancji.
- Różne złoża rud metali często różnią się proporcjami zawartych w nich izotopów, tak że na podstawie określenia proporcji można wyciągnąć wnioski na temat złoża. Ma to szczególne znaczenie w przypadku metalowych znalezisk archeologicznych i służy m.in. do rekonstrukcji wczesnych szlaków handlowych.
Przegląd
Stosunek izotopów | Frakcjonowanie | posługiwać się |
---|---|---|
δ18O | biologiczna, klimatyczna | do badań petrologicznych , stratygraficznych lub paleoklimatologicznych |
δ2H | biologiczna, klimatyczna | z. B. Studia nad wodą i winem |
δ13C | biologiczny, antropogeniczny | na studia z geochemii , paleoklimatologii i paleoceanografii |
δ15N | biologiczny, antropogeniczny | na studia z geochemii , paleoklimatologii i paleoceanografii |
δ34S | antropogeniczne, geologiczne | |
δ208Pb | antropogeniczne, geologiczne | |
δ87Sr | geologiczny | |
δ143Nd | geologiczny |
terminologia
Wyniki pomiaru izotopów podano jako stosunek ciężkich do lekkich izotopów i podano jako wartości delta ( ). Wszystkie izotopy mierzy się jako względną różnicę w stosunku do normy międzynarodowej i podaje w promilach . Na przykład jest
- .
Izotopy wodoru
Wodór (H) ma dwa stabilne izotopy: prot lub protony ( 1 H) i deuter ( 2 H lub D) oraz radioaktywny (niestabilny) izotop trytu ( 3 H lub T) z okresem półtrwania 12,3 lat. Na Ziemi występuje tylko kilka kilogramów trytu jako naturalne zjawisko. Tworzą go promienie kosmiczne w górnych warstwach atmosfery .
Deuter jest również znany jako ciężki, a tryt jako super ciężki wodór.
Metoda trytu
Woda deszczowa zawiera tryt, który został wytworzony przez promieniowanie kosmiczne w atmosferze. Ponieważ tryt z czasem ulega rozkładowi, metodę trytu można zastosować np. Do określenia wieku wody źródlanej.
Ponieważ tryt jest tak rzadki w przyrodzie, można łatwo zidentyfikować najmniejsze zanieczyszczenia pochodzące z zastosowań technicznych.
Izotopy tlenu
Tlen ma 3 stabilne izotopy: 16 O, 17 O i 18 O.
W badaniach zwykle mierzy się stosunek 18 O / 16 O, ponieważ 17 O występuje w ilościach trudnych do wykrycia. Stosunek izotopów wiedeńskiej standardowej średniej wody oceanicznej (VSMOW) jest używany głównie jako wzorzec do obliczania tego stosunku (patrz terminologia) .
Stosunek izotopów 18 O / 16 O w parze wodnej w atmosferze i wodzie we wszystkich zbiornikach wodnych różni się w zależności od regionu. Podobnie jak w przypadku kondensacji, frakcjonowanie izotopów zachodzi podczas odparowywania wody . Podczas parowania lżejszy izotop preferencyjnie zamienia się w parę, podczas kondensacji (np. Tworzenia się chmur i deszczu) cięższy izotop preferencyjnie przechodzi w fazę ciekłą. Frakcjonowanie izotopów jest zależne od temperatury, tak więc opady w chłodnych regionach mają niższy stosunek 18 O / 16 O (a także niższy stosunek D / H) niż w regionach o gorącym klimacie. Sezonowe wahania temperatury znajdują również odzwierciedlenie w zmianach stosunku izotopów w wodzie deszczowej.
Fakt ten jest wykorzystywany w archeometrii do rekonstrukcji paleo-temperatury . Ssaki budują izotopy tlenu w kościach i zębach. Stosunek zależy od wartości wody pitnej. Zależności te są specyficzne dla gatunku i można je zastosować do znalezisk kości i zębów z wykopalisk archeologicznych. Z analizy szkliwa zębów , które nie zmienia się w trakcie życia dorosłego ssaka, można wyciągnąć wnioski o klimacie, w którym rosło zwierzę. Im wyższa wartość, tym wyższa temperatura.
18 O jest używany w reakcjach organicznych i biochemicznych w celu wyjaśnienia mechanizmu reakcji . Stosowany jest tutaj tlen elementarny lub tlen związany w wodzie ( 18 O 2 , H 2 18 O). Dobrze znanymi tego przykładami są tworzenie lub hydroliza estrów . W przypadku reakcji biochemicznych odwodornienie można w szczególności wyjaśnić w przypadku reakcji enzymatycznych .
Izotopy węgla
Węgiel (C) ma dwa stabilne izotopy : 12 C (98,89%), 13 C (1,11%) i niestabilny izotop 14 C (0,000 000 000 1%). To ostatnie jest podstawą najbardziej znanego zastosowania badań izotopowych, datowania radiowęglowego, w którym mierzy się zawartość 14 C w celu określenia wieku próbek organicznych .
Stosunek dwóch stabilnych izotopów jest również używany do pytań naukowych. Między 12 C a 13 C frakcjonowanie izotopów zachodzi naturalnie podczas fotosyntezy . C 3 rośliny , takie jak pszenica tylko fotosyntezy enzym RuBisCo (rybulozo-1,5-karboksylazy bisfosforanu oksygenazy) do mocowania CO 2 . Wyróżnia cięższy izotop δ 13 C i preferencyjnie wiąże lżejsze cząsteczki CO 2 . Wartości δ 13 C roślin C 3 mieszczą się w zakresie -26,5 ‰. W roślinach C 4 , takich jak proso i kukurydza, wiązanie CO 2 przebiega inaczej i tam, oprócz RuBisCO, zachodzi karboksylaza fosfoenolopirogronianowa (karboksylaza PEP), przez którą CO 2 w postaci wodorowęglanu (HCO 3 - ) jest znacznie wyższa. Powinowactwo jest wstępnie ustalone. Karboksylazy PEP nie dyskryminuje cięższej δ 13 C izotopu, który ulega ekspresji w sposób bardziej dodatnim δ 13 stosunku C ok. -12.5 ‰ z C 4 roślin . Odchylenie jest ustalane w stosunku do standardu Pee-Dee-Belemnite i ten stosunek jest podany. Ze względu na specjalne wiązanie CO 2 przez rośliny CAM w przyrodzie można zaobserwować jeszcze bardziej dodatnie stosunki δ 13 C. Jeszcze cenniejsze są plankton i zwierzęta morskie. Umożliwia to antropologom na przykład wyciąganie wniosków na temat odżywiania na podstawie wartości δ 13 C w ludzkich kościach. Jest to szczególnie interesujące w połączeniu z δ 15 N.
Do badań nadaje się spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego 13 C , która jest również wykorzystywana w chemii organicznej do wyjaśniania struktur chemicznych .
Izotopy azotu
Azot (N) ma dwa stabilne izotopy 14 N (99,634%) i 15 N (0,366%). Stosunek izotopów w powietrzu jest używany jako wzorzec do obliczania stosunku δ 15 N (patrz terminologia).
Frakcjonowanie izotopów odbywa się w cyklu azotowym głównie w interakcji między roślinami i mikroorganizmami w glebie. Suche gleby sawannowe i pustynne zawierają więcej 15 N niż wilgotne, chłodne gleby leśne w regionach o klimacie umiarkowanym. Materiały biologiczne wzbogacają izotop ciężki w stosunku do atmosfery. Ponadto obserwuje się nagromadzenia w łańcuch pokarmowy . Mięsożercy, jako ostatnie ogniwo łańcucha pokarmowego, wykazują najwyższe wartości. W archeometrii analiza stosunku izotopów N służy do wyciągania wniosków na temat diety zwierząt i ludzi na podstawie znalezisk kostnych. Dla neandertalczyków ustalono również dietę głównie mięsną na podstawie jej wartości δ 15 N.
Układ potasowo-argonowy
Metoda argonowa wykorzystuje fakt, że zwykle stały pierwiastek potasu 40 K o okresie półtrwania 1,3 miliarda lat rozpada się do gazowego 40 Ar, który może uciec ze stopu, ale nie z ciała stałego. W geologii służy do określania czasu krzepnięcia materiałów wulkanicznych .
Układ rubidowo-strontowy
Stront ma cztery stabilne, naturalnie występujące izotopy : 84 Sr (0,56%), 86 Sr (9,86%), 87 Sr (7,0%) i 88 Sr (82,58%).
87 Sr jest produktem rozpadu 87 rubidu , którego okres półtrwania wynosi 48,8 miliardów lat. Dlatego można określić wiek niektórych skał na podstawie ich stosunków izotopów rubidu i strontu.
U istot żywych (np. Ludzi) stront jest również wbudowywany w kości i szkliwo zębów zamiast wapnia. W przeciwieństwie do kości, Sr nie jest już wymieniany w szkliwie zębów po ukończeniu czwartego roku życia. Dlatego stosunek izotopów pozostaje tam identyczny jak w miejscu, w którym mieszka dziecko. Analiza izotopów strontu jest wykorzystywana do badań archeologicznych znalezisk szkieletowych. Jeśli porównać stosunek izotopów Sr w kościach ze stosunkiem w zębach do żucia, to inny stosunek świadczy o ruchu migracyjnym, który miał miejsce po ukończeniu czwartego roku życia.
Metoda tor-uran-ołów
Metoda Th-U-Pb określa stężenia i stosunki izotopów pierwiastków toru, uranu i ołowiu. Każdy z trzech izotopów 238 U, 235 U i 232 Th rozpada się radioaktywnie poprzez skomplikowaną serię rozpadów na dokładnie jeden izotop ołowiu:
Ponieważ wyznaczana jest izotop trzech niezależnych serii rozpadu, teoretycznie możliwe jest trójwymiarowe przedstawienie wyników. Jednak w większości przypadków używana jest reprezentacja dwuwymiarowa, a system 207 Pb / 232 Th jest używany do korygowania frakcjonowania .
Aplikacje
- Datowanie minerałów: apatyt ( szkliwo zębów , patrz wyżej), monacyt lub cyrkonia
- Pochodzenie odzieży, ludzi, zwierząt i żywności można zróżnicować w skali globalnej na różnych kontynentach. W przypadku danego ograniczenia regionalnego, na przykład masła z Niemiec, dokładniejsze rozróżnienia są możliwe dzięki analizie wody w żywności.
- Badając izotopy Th-U-Pb, można na przykład rozróżnić różne typy reaktorów jądrowych lub broni jądrowej.
Inne metody
- System siarkowy
- System Sm-Nd
- Układ U-Pb
- Metoda U-He (historyczna)
- Metoda Pb (historyczna)
- Metoda Pb-Pb
Indywidualne dowody
- ^ Brian Fry: Stabilna ekologia izotopów . 2006. Springer. ISBN 0387305130
- ↑ Elisabeth Stephan: Stabilne izotopy w znaleziskach fauny kopalnej: Badania klimatu, środowiska i żywienia zwierząt prehistorycznych . W: Andreas Hauptmann (red.): Archäometry. Metody i przykłady zastosowań . Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7 , s. 51-58.
- ↑ MJ Schoeninger, MJ Kohn, JW Valley: Stosunki izotopów tlenu w zębach jako monitory paleoklimatu w suchych ekosystemach. W: SH Ambrose, MA Katzenberg (red.): Biogeochemical Approches to Paleodietary Analysis. Advances in Archeological and Museum Science 5, Nowy Jork 2000, s. 117–140.
- ↑ a b H. L. Schmidt, E. Schmelz: Stabile Isotopes in Chemistry and Life Science, Chemistry in our Time, 14th 1980, No. 1, s.25
- ^ Wilhelm Nultsch: Ogólna botanika . Thieme (red.) 2001
- ↑ Elisabeth Stephan: Stabilne izotopy w znaleziskach fauny kopalnej: Badania klimatu, środowiska i żywienia zwierząt prehistorycznych . W: Andreas Hauptmann (red.): Archäometry. Metody i przykłady zastosowań . Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7 , s. 58-60.
- ↑ Elisabeth Stephan: Stabilne izotopy w znaleziskach fauny kopalnej: Badania klimatu, środowiska i żywienia zwierząt prehistorycznych . W: Andreas Hauptmann (red.): Archäometry. Metody i przykłady zastosowań . Stuttgart 2008, ISBN 978-3-510-65232-7 , s. 60-64.