مقدمه:
ایزوتوپ ها (از یونانی Ισότοπο، =ه مجا)، اتم هایی هستند که عدد اتمی (Z) یکسان و عدد جرمی (A) متفاوتی دارند. عدد اتمی بیانگر تعداد پروتون های هسته اتم است. بنابراین ایزوتوپ های یک عنصر، تعداد پروتون های مساوی دارند. اختلاف در جرم اتمی ایزوتوپ ها از اختلاف تعداد نوترون های موجود در هسته آنها ناشی می شود.
برای نشان دادن ایزوتوپ های یک عنصر، ابتدا نام آن عنصر، سپس یک خط فاصله (-) و در آخر جرم اتمی آن ایزوتوپ نوشته می شود. مثلاً هیدروژن دارای سه ایزوتوپ هیدروژن-1 (پروتون)، هیدروژن -2 (دوتریوم) و هیدروژن -3 (تریتیوم) است که هسته آنها به ترتیب حاوی 0، 1 و 2 نوترون است. یا ایزوتوپ اورانیوم ۵٢٣ را به صورت 235U نمایش می دهند. روش دیگر، نوشتن جرم اتمی ایزوتوپ در قسمت بالا و سمت چپ نماد شیمیایی عنصر است مانند U235 که برای نمایش همان ایزوتوپ اورانیوم ۵٢٣ است.
از آنجا که ایزوتوپ های یک عنصر ساختار الکترونی مشابهی دارند، بنابراین ویژگی های شیمیایی آنها نیز یکسان است، اما ویژگی های هسته ای آنها متفاوت است. اگر نسبت تعداد نوترون های موجود در یک ایزوتوپ به پروتون های آن خیلی کم یا خیلی زیاد باشد، هسته تمایل به متلاشی شدن پیدا می کند. هدف از بررسیهای ایزوتوپی پایدار و نحوهء تفکیک آنها در محیطهای مختلف معدنی, تعیین و تفسیر دمای محیط است. و در فارسی واژه های »همجا« و» هم مکان« در برابر واژه ایزوتوپ پیشنهاد شده است.

کاربرد ایزوتوپهای پایدار در تعیین شرایط محیط کانی سازی

کاربرد ایزوتوپهای پایدار در تعیین شرایط محیط کانی سازی

فهرست مطالب

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………9

 فصل اول : اصول نظری و تجربی……………………………………………………….10

1-1) ویژگیهای عمومی ایزوتوپها……………………………………………………………………………………… 11

 فصل دوم : تفکیک ایزوتوپهای پایدار………………………………………………….. 15

2-1 عوامل دیگری که بر تفکیک ایزوتوپی تاثیر می گذارند………………………………………………………….. 18
2- 1- 1 فشار…………………………………………………………………………………………………………….. 18
2-1-2 ترکیب شیمیایی…………………………………………………………………………………………………..18
2- 1- 3 ساختار بلوری…………………………………………………………………………………………………… 20
2- 1- 4 آثار ایزوتوپی مستقل از جرم ……………………………………………………………………………………20
2- 2 هیدروژن……………………………………………………………………………………………………………… 23
2- 2- 1 سازوکارهای تفکیک……………………………………………………………………………………………. 24
2- 3 کربن………………………………………………………………………………………………………………….. 28
2- 3- 1 سازوکارهای تفکیک……………………………………………………………………………………………. 28
2- 4 اکسیژن……………………………………………………………………………………………………………… 29
2- 4- 1 سازوکارهای تفکیک…………………………………………………………………………………………….. 29
2-5 گوگرد………………………………………………………………………………………………………………….. 36
2-5-1 سازوکارهای تفکیک………………………………………………………………………………………………. 37

فصل سوم : تغییرات نسبت ایزوتوپهای پایدار در طبیعت. 44

3-1 مواد فرا زمینی………………………………………………………………………………………………………… 45
3-2 کانسارها و سامانه های گرمایی…………………………………………………………………………………… 47
3-2-1 خاستگاه سیالهای کانه دار……………………………………………………………………………………….. 50
3-2-2 دگرسانی سنگ دیواره……………………………………………………………………………………………… 55
3-2-3 سامانه های گرمابی فسیلی……………………………………………………………………………………… 56
3-2-4 کربناتهای گرمابی……………………………………………………………………………………………………. 58
3-2-5 ترکیب ایزوتوپی گوگرد کانسارها……………………………………………………………………………………. 60

3-3 ترکیب ایزوتوپی گوشته بالایی………………………………………………………………………………………… 69
3-4 مواد فرار در سامانه های ماگمایی…………………………………………………………………………………….. 71
3-5 سنگهای ماگمایی………………………………………………………………………………………………………… 72
3-6 آب کره………………………………………………………………………………………………………………………. 73
3-7 هوا کره……………………………………………………………………………………………………………………… 74
3-8 زیست کره……………………………………………………………………………………………………………………. 75
3-8-1 ماده آلی زنده……………………………………………………………………………………………………………… 76
3-8-2 ایزوتوپهای پایدار به عنوان نشانگرهای رژیم غذایی و سوخت وساز ………………………………………………..81
3-8-3 ردیاب منابع آلوده کننده آلی انسان زاد …………………………………………………………………………………83

3-8-4 ماده آلی فسیلی…………………………………………………………………………………………………………. 84
3-8-5 نفت…………………………………………………………………………………………………………………………. 88
3-8-6 زغال سنگ………………………………………………………………………………………………………………….. 91
3-8-7 گاز طبیعی…………………………………………………………………………………………………………………… 92
3-9 سنگهای رسوبی……………………………………………………………………………………………………………… 98
3-9-1 کانیهای رسی………………………………………………………………………………………………………………. 98
3-9-2سنگهای رسوبی آواری……………………………………………………………………………………………………. 100
3-9-3 سیلیس و چرت زیست زاد………………………………………………………………………………………………. 103
3-10 سنگهای دگرگونی………………………………………………………………………………………………………….. 104

3-10-1 دگرگونی همبری………………………………………………………………………………………………………….. 108
3-10-2 دگرکونی ناحیه ای………………………………………………………………………………………………………… 110
3-11 دیرینه اقلیم شناسی……………………………………………………………………………………………………….. 112
3-11-1 پیشینه های قاره ای……………………………………………………………………………………………………… 113
3-11-2 پیشینه دریایی……………………………………………………………………………………………………………… 115
4- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………… 118

فهرست منابع فارسی……………………………………………………………………………………………………………… 122

 

فصل اول- اصول نظری و تجربی
1-1-ویژگیهای عمومی ایزوتوپها
ایزوتوپها اتمهایی هستند که هسته آنها تعداد پروتون مساوی اما تعداد نوترون متفاوتی دارد. واژه »ایزوتوپ« ریشه یونانی (به مفهوم جاهای همانند) دارد و نشان میدهد که ایزوتوپها یک عنصر در جدول تناوبی موقعیت یکسانی را اشغال می کنند.
ایزوتوپها را می توان به صورت Cu mn E65 نشان داد که در آن m نمایانگر عدد جرمی (یعنی مجموع تعداد پروتونها و نوترون ها در هسته) و n نمایانگر عدد اتمی عنصر E است.برای مثال C 126 ایزوتوپ کربن است که دارای شش پروتون و شش نوترون در هسته می باشد. وزن اتمی عناصر طبیعی همان میانگین وزن ایزوتوپهای گوناگون آنهاست.
ایزوتوپها را میتوان به دو نوع اساسی پایدار و ناپایدار (پرتوزا) تقسیم کرد. حدود 300 ایزوتوپ پایدار وجود دارد در حالی که تا کنون، بیش از 1200 ایزوتوپ ناپایدار کشف شده است. صفت » پایدار« نسبی است و به حدود آشکارسازی زمان واپاشی پرتوزا بستگی دارد. در گستره عدد اتمی 1 (H) تا 83 (Bi) هسته های پایدار تمام جرمها به جز 5 و 8، شناخته شده است. تنها 21 عنصر را میتوان عنصر خالص دانست، به این معنی که فقط یک ایزوتوپ پایدار دارند. همه عنصرهای دیگر مخلوطی از دست کم دو ایزوتوپ هستند. فراوانی نسبی ایزوتوپهای مختلف ممکن است به مقدار چشمگیری تغییر کند. برای مثال در مس، ایزوتوپ Cu63 ، 69 درصد و ایزوتوپ Cu65، 31 درصد کل هسته مس را تشکیل می دهند. در هر حال، در بیشتر موارد یک ایزوتوپ چیرگی آشکاری دارد و بقیه ایزوتوپها فقط به مقدار جزئی یافت می شوند.
جدول 1. انواع هسته های اتمی و بسامد رخداد آنها
Z-N ترکیب ( عدد اتمی_تعداد نترونها) شمار هسته های پایدار
زوج – زوج 160 زوج – فرد 56 فرد- زوج 50 فرد- فرد 5
ایداری هسته ها، با چند قاعده مهم مشخص می شود که دو مورد آن در اینجا به طور خلاصه بحث خواهد شد. قاعده نخست، قاعده معروف تقارن است که بیان می کند که در یک هسته پایدار با عدد اتمی پایین، تعداد پروتونها تقریبا برابر با تعداد نوترونهاست، یا نسبت نوترون به پروتون ( عدد اتمی) (N/Z) تقریبا برابر با واحد است. در هسته های پایدار با بیش از 20 پروتون یا نوترون، نسبت N/Z همیشه بزرگتر از واحد است و بیشترین مقدار (حدود 5/1) مربوط به سنگین ترین هسته های پایدار است.
نیروی دفع الکتروستاتیکی کولمب پروتونهای با بار مثبت، با افزایش مقدار Z به سرعت افزایش می یابـد .
برای حفظ پایداری هسته، تعداد بیشتری نوترون (که از نظر الکتریکی خنثی هستند) نسبت بـه پروتـوندر هسته قرار می گیرد (شکل 1)
قاعده دوم، قاعده معروف به ادو-هارکینز است که بر اساس آن، هسته های با عدد اتمـی زوج، فراوانتـر ازهسته های با عدد اتمی فرد هستند. همانگونه که در جدول1 دیده می شود، رایجترین ترکیـب از میـانچهار ترکیب احتمالی، زوج-زوج و کمترین آنها فرد-فرد است.
رابطه مشابهی دیده می شود که نشان میدهد تعـداد ایزوتوپهـای پایـدار بـا عـدد اتمـی زوج، بیـشتر ازایزوتوپهای دارای عدد اتمی فرد است.
ایزوتوپهای پرتوزا را می توان به دو گروه طبیعی و مصنوعی تقسیم کرد که فقط گـروه اول مـورد علاقـهزمین شناسان هستند، زیرا اساس روشهای سن یـابی پرتوسـنجی هـستند. فراینـدهای واپاشـی پرتـوزا،واکنشهای هسته ای خود به خودی هستند و ممکن است بـا نـوع پرتوهـای گـسیل شـده( بـرای مثـالy,B,a) مشخص شوند. فرایندهای واپاشی، همچنین ممکن است شامل گیراندازی الکترون باشند.
واپاشی پرتوزایی، فرایندی است که تغییراتی را در فراوانی ایزوتوپها ایجاد می کند. دلیل دیگر تفـاوت درفراوانی ایزوتوپها، فرایندی است که تغییراتی را در فراوانی ایزوتوپها ایجاد می کند. دلیل دیگر تفـاوت درفراوانی ایزوتوپها، فراینـد تفکیـک ایزوتـوپی اسـت کـه توسـط تفاوتهـای کوچـک شـیمیایی و فیزیکـیایزوتوپهای یک عنصر ایجاد می شود. این فرایند مهم به طور خاص در فصلهای بعد بحث خواهد شد.

شکل 1- نمودار تعداد پروتونها (z) در برابر نوترونها (N) در هسته های پایدار (•)و ناپایدار ()
روشهای طیف سنجی جرمی اکنون کارآمدترین راههای اندازه گییری نسبتهای فراوانی ایزوتوپی هستند.
یک طیف سنج جرمی، اتمها و مولکولهای باردار را بـر اسـاس جـرم انهـا و همـین طـور حرکـت انهـا درمیدانهای مغناطیسی و یا الکتریکی از یکدیگر جدا می کند. و طیف سنجهای جرمی دقیق جدیـد، دقـتبهتر از 0.02% را برای عناصر سبک، بجز هیدروژن، ممکن می سازند.

فصل دوم
تفکیک ایزوتوپهای پایدار
فصل دوم: تفکیک ایزوتوپهای پایدار
تفکیک ایزوتوپی ناشی از آن است که برخی از ویژگیهای ترمودینامیکی ملکول به جرمهای اتمی تشکیل دهنده آن بستگی دارد. انرژی یک ملکول در یک گاز را می توان بر اساس واکنشهای متقابل میان الکترونها به اضافهء موءلفه های جابجایی و چرخشی و ارتعاشی اتمهای آن ملکول توصیف نمود.به دلیل تفاوتهای موءلفه های ارتعاشی که به جرم وابسته اند ملکولهای حاوی ایزوتوپهای مختلف یک عنصر. در وضعیتهای برابر.دارای انرژیهای مختلف می باشند. در مورد هیدروژن و دوتریوم تفاوت در موئلفه های چرخشی نیز مهم است. انرژی ملکول با کاهش دما کاهش میابد و در صفر مطلق دارای مقدار خاصی است که انرژی نقطه صفر نامیده می شود و از حداقل مقدار انرژی به اندازه h بزرگتر می باشد. در این عبارت h ثابت پلانک و v400C فرکانس ارتعاشی است.فرکانس ارتعاشی یک ملکول با ریشه دوم جرم آن تناسب معکوس دارد. بنابر این ملکولی که حاوی ایزوتوپ سبک تر باشد. در مقایسه با ملکول مشابه حاوی ایزوتوپ سنگین تر. دارای فرکانس ارتعاشی بالاتر و در نتیجه انرژی نقطه صفر بالاتر است. یک نتیجه این پدیده آن است که پیوندهایی که با ایزوتوپ سبکتر بر قرار شده اند. ضعیف ترند و بنابر این با سهولت بیشتری شکسته می شوند و باعث می گردند که ملکول با ایزوتوپ سبکتر در مقایسه با ملکول مشابه حاوی ایزوتوپ سنگینتر واکنش پذیرتر باشد. ویژگیهای ترمودینامیکی ملکولهای ایزوتوپی و تفکیک ایزوتوپی حاصل از آنها توسط اوری(1947). بیگلیزین(1952). بیگلیزین و مییر(1947). بروئکر و اوورسبی(1971) و دیگران مورد بحث قرار گرفته اند.
بطور کلی تفکیک ایزوتوپی در خلال چند نوع واکنشهای شیمیایی و فرایندهای فیزیکی صورت می گیرد که عبارتند از :
1. واکنشهای تبادل ایزووتوپی که مستلزم توزیع مجدد ایزوتوپهای یک عنصر در میان ملکولهای مختلف حاوی آن عنصر هستند.
2. واکنشهای یک طرفه ای که در آنها آهنگ واکنشها به ترکیبات ایزوتوپی واکنشگرها و محصولات بستگی دارد.
3. فرایندهای فیزیکی نظیرتبخیر و تغلیظ. ذوب و تبلور. جذب و دفع و انتشار یونها یا ملکولها که در آن تفاوتهای جرمی نقش ایفا می کنند عوامل بوجود آورنده گرادیانهای تمرکز یا گرادیانهای دمایی می باشند.
تفکیک ایزوتوپی که در خلال چنین فرایندهایی صورت میگیرد. بوسیله فاکتور تفکیک  نشان داده می شود که به صورت زیر تعریف می گردد:  RRA
که در آن RA نسبت ایزوتوپ سنگین به ایزوتوپ سبک در فاز A و RB همان نسبت در فار B می باشد. در بعضی موارد فاکتورهای تفکیک را می توان به کمک توابع توزیع مشتق از مکانیک آماری و با استفاده از فرکانسهای ارتعاشی که به طریق تجربی تعیین گردیده اند محاسبه کرد.
چنین محاسباتی صرفا برای سیستمهای متشکل از گازها و مایعات امکانپذیر هستند و در مورد سیستمهای حاوی جامدات مستفیما قابل استفاده نیستند. زیرا در مورد جامدات باید انرژی اضافی ناشی از ارتعاشات شبکه را نیز مورد توجه قرار داد. در هر مورد فاکتورتفکیک برای هر سیستم معین به دما وابسته است و معمولا با افزایش دما به یک نزدیک می شود. یعنی تفکیک ایزوتوپی در طبیعت بر حسب دماهای محیطی قابل تفسیر است. خلاصه مفیدی در مورد نظریه واکنشهای تبادل ایزوتوپی توسط هوئفس(1980)ارائه شده است.

2-1 عوامل دیگری که بر تفکیک ایزوتوپی تاثیر می گذارند.
2-1-1 فشار
عموماً فرض بر این است که دما عامل تعیین کننده اصلی در تفکیک ایزوتوپی است و اثر فشار بسیار ناچیز و قابل چشمپوشی است، چرا که حجمهای مولی با جانشینی ایزوتوپی تغییر نمی کنند.
این فرض، بجز در مورد هیدروژن به طور کلی درست است، با وجود این، دریسنر (1997) و هوریتا و دیگران (1999، 2002) نشان داده اند که برای واکنشهای تبادل ایزوتوپ با درگیری آب، تغییر فشار می تواند سبب تفکیک ایزوتوپی شود. دریسنر (1997) تفکیک ایزوتوپی هیدروژن را بین اپیدوت و آب محاسبه کرد و دریافت که در دمای C400 مقدار آن از 90%- در فشار 1 بار تا 30%- در فشار 4000 بار تغییر می کند. هوریتا و دیگران (1999، 2002) شواهد تجربی تاثیر فشار در سیستم بروسیت –2Mg(OH)- آب را ارائه کردند. محاسبه های نظری نشان میدهند که تاثیر فشار بیشتر بر روی آب است تا بر روی بروسیت. بنابراین، ممکن است فشار اثر مشابهی بر تفکیکD/H کانیهای آبدار داشته باشد (هوریتا و دیگران ،2002) هنگام محاسبه ترکیب ایزوتوپی هیدروژن سیال از روی ترکیب کانی، اثر فشار باید در نظر گرفته می شود.

2-1-2 ترکیب شیمیایی
به طور کیفی، ترکیب ایزوتوپی یک کانی تا حد بسیار زیادی به ماهیت پیوندهای شیمیایی درون کانی، و تا حد کمی به جرم اتمی عنصرهای تشکیل دهنده آن بستگی دارد. به طور کلی، پیوند به یونهایی با پتانسیل یونی بالا و اندازه کوچک، با بسامد ارتعاشی بالایی همراه است، و این پیوندها میل دارند که ترجیحاً ایزوتوپ سنگین را از آن خود کنند. این ارتباط را می توان با بررسی پیوند اکسیژن با یون کوچک اما با بار زیاد 4+Si در مقایسه با یون نسبتا بزرگ 2+Fe در کانیهای سنگ ساز به تصویر کشید. در مجموعه های کانیایی طبیعی، با شرط تعادل در سیستم، کوارتز همیشه حاوی بیشترین مقدار o18 و مگنتیت همواره دارای کمترین مقدار o18 است افزون بر این، کربناتها در مقایسه با بیشتر گروههای کانیایی دیگر همیشه غنی از o18 هستند زیرا اکسیژن به یونهای 4+C با بار زیاد متصل می شود. جرم کاتیون دو ظرفیتی نسبت به پیوند C-O اهمیت کمتری دارد. با وجود این اثر جرم در توزیع s 34 در میان کانیهای سولفیدی آشکار است که برای مثال، در آنها ZnS همواره نسبت به pbS همزیست،S34 بیشتری را متمرکز می کند.
اثرات ترکیب در سیلیکاتها پیچیده و درک آن دشوار است که این به دلیل سازوکارهای جانشینی بسیار گوناگون در کانیهای سیلیکاتی است (کوهن و ولی ،c1998) بیشترین اثر تفکیک، مربوط به جانشینی NaSi=CaA در پلاژیکلازهاست که ناشی از نسبت بالاتر از Si به Alآلبیت و نیروی پیوندی قوی تر در پیوند Si-o در مقایسه با پیوند Al-O می باشد. جانشینی ژادئیت (6o2(NaAlSi-دیوپسید (6(CaMgSi2Oدر پیروکسنها نیز با مشارکت Al صورت می گیرد اما در این مورد Al در موقعیت هشت وجهی جانشینی می شود و نه در موقعیت چار وجهی.
بررسی های چاکو و دیگران (2001) نشان میدهد که در دماهای بالا، جانشینی Al پیروکسنها در حدود 4% به ازای هر مول جانشینی Al در موقعیت چهار وجهی است. جانشینهای بسیار متداول دیگر، مانند Ca-Mg-Fe-mg هیچ تفاوت مهمی در تفکیک ایزوتوپی پدید نمی آ ورند.
2-1-3 ساختار بلوری
اثرهای ساختاری نسبت به اثرهای ناشی از پیوندهای شیمیایی، اهمیت کمتری دارد. به طور کلی ،ایزوتوپ سنگین تر در ساختارهای مظمتر و دارای آرایش متراکم تر تمرکز می یابد. تفکیک O18 و D بین یخ و آب مایع، به طور عمده ناشی از تفاوت، در درجه پیوند (یا نظم) هیدرو ژن است.
یک اثر ایزوتوپی نسبتًاً بزرگ در رابطه با ساختار، بین گرافیت و الماس دیده می شود. (بوتینگا ،b 1969) ژنگ (a 1993) با یک روش افزایشی اصلاح شده، این اثر ساختاری را برای 2 SiO و چند ریختهای 5Al2SiO محاسبه کرده و نشان داده است که O18 در شکلهای فشار بالا، غنی می شود. اما در این رابطه، باید یادآور شد که شارپ (1995) با تجزیه کانیهای 5Al2SiO طبیعی، هیچ تفاوتی بین کیانیت و سیلیمانیت مشاهده نکرده است.
2-1-4 آثار ایزوتوپی مستقل از جرم
همواره اعتقاد بر این بوده است که برای بیشتر واکنشهای طبیعی، اثرهای ایزوتوپی صرفاً ناشی از تفاوت جرم ایزوتوپی هستند، بدین معنی که برای عنصرهایی با بیش از دو ایزوتوپ مانند اکسیژن و گوگرد، می توانیم انتظار داشته باشیم که غنی شدگی O18 نسبت به O16، یا S34 نسبت به S32 ، تقریبا دو برابر غنی شدگی O نسبت به O16 یا S33 نسبت به S32 باشد. در مورد اکسیژن مولکولی، مقادیر O17 و O18 به شکل زیر در ارتباط با یکدیگر هستند:
به طور معمول فرایندهای تفکیک ایزوتوژی وابسته به جرم را توسط یک منحنی خطی منفرد بر روی یک نمودار همبستگی سه ایزوتوژی توصیف می کنند (ماتسوهیسا و دیگران 1978) خطهای مستقیم حاصل را خطهای تفکیک جرم زمینی می نامند، و انحراف از آنها بای شناسایی اثرهای ایزوتوژی ناوابسته به جرم مورد استفاده قرار می گیرد این روش، هنگامی مناسب است که دقت تجزیه در حد 0%1ر0+ باشد( یانگ و دیگران 2002). در هر حال نمودار سه ایزوتوژی بر اساس تبدیل تقریبی یک تابع قانون توان به یک الگوی خطی است. بهبود فنهای تجزیه به سطح بالاتری از دقت منجر می شود که تمایز فرایندهای تفکیک سینتیکی و تعادلی را از یکدیگر امکان ژذیر خواهد ساخت (یانگ و دیگران ،2002، میلر ،2002)
آنگونه که برای اولین بار تیمنز و هایدنریش (1983) نشان دادند هنگامی که اوزون از راه تخلیه الکتریکی در 2O خالص تولید می شود، یک تفکیک ایزوتوژی غیر عادی رخ میدهد. این پژوهشگران غنی شدگی مشابهی از O17 و O18 در اوزون تولید شده مشاهده کردند، برخلاف رابطه O18 5ر0 O17 که از فرایند تفکیک وابسته به دما انتظار می رود. انها ابتدا پیشنهاد کردند که خود حفاظتی و یا تقارن مولکولی 2O ممکن است مسئول این ترکیب ایزوتوپی اوزون باشد.


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان