DURAYLI İZOTOPLAR. Prof. Dr Miraç AKÇAY ınjeokimya (KTÜ) kitabından Yararlanılmıştır.

Transkript

1 DURAYLI İZOTOPLAR Prof. Dr Miraç AKÇAY ınjeokimya (KTÜ) kitabından Yararlanılmıştır.

2 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

3 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

4 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.

5 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.

6 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(radyojenikveya 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.

7 Duraylı izotoplar, zamana bağlı olarak değişime uğramadıklarından, herhangi bir jeolojik olayıngelişiminde 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.

8 Duraylı olan izotoplar bütün izotoplar arasında daha az bir oran tutar (260 duraylı izotop / 1700 duraysızizotop; 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.

9 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.

10 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.

11 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

12 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 2 /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.

13 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.

14 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 hidrojenizotopbileşiminin, sistem içerisinde daha sonra etkili olan çözeltiler tarafından kolaylıkla değiştirilebilmesi hidrojen izotopunun jeotermometre olarak kullanılmasını sınırlayan diğer bir etkendir (Çöle ve Ohmoto, 1984).

15 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.

16 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 Savİnve Epstein (1970), Lawrence ve Taylor (1971) tarafından uyarlanmış olup, bu sıcaklıklarda farklılaşma çok daha az olmaktadır. Bu nedenle,

17 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 O 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 O 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

18

19

20

21 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.

22 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.

23 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 kj/t enerji verir) ve mutlak yaş tayininde kullanılırlar. Bunların yanında ortam (karasal/denizel, ısı derecesi) ve köken incelemelerinde duraylı izotoplardan yararlanılır.

24 Th-232 izotopunun yarılanması