معلومة

5.2.1: النظائر المشعة - علم الأحياء


أذكر أن ذرة هو أصغر مكون للعنصر الذي يحتفظ بجميع الخصائص الكيميائية لهذا العنصر (انظر المادة). كما تمت مناقشته سابقًا ، تحتوي الذرات على غير مشحونة النيوترونات وشحنة موجبة البروتونات في النواة. مشحون سلبيا الإلكترونات تحيط النواة. ال الكتلة الذرية يتم تحديد ذرة من خلال عدد البروتونات والنيوترونات لأن كتلة الإلكترونات لا تذكر. يزن كل بروتون أو نيوترون وحدة كتلة ذرية (AMU). قيم الكتلة الذرية المعروضة في الجدول الدوري للعناصر ليست أعدادًا صحيحة لأنها تمثل متوسط ​​الكتلة الذرية لذرات هذا العنصر (الشكل ( PageIndex {a} )). لا تحتوي ذرات نفس العنصر بالضرورة على نفس الكتلة لأنها يمكن أن تختلف في عدد النيوترونات.

الشكل ( PageIndex {a} ): العدد الصحيح في كل خلية من الجدول الدوري هو العدد الذري ، أو عدد البروتونات. يظهر رقم الكتلة الذرية أيضًا ، وهو متوسط ​​عدد البروتونات والنيوترونات. تم اقتصاص الصور وتسميتها من المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (المجال العام).

النظائر هي أشكال مختلفة من نفس العنصر لها نفس عدد البروتونات ، ولكن عدد النيوترونات مختلف. بعض العناصر ، مثل الكربون والبوتاسيوم واليورانيوم ، لها نظائر طبيعية. يحتوي الكربون 12 ، وهو النظير الأكثر شيوعًا للكربون ، على ستة بروتونات وستة نيوترونات. لذلك ، لديها عدد كتلي 12 (ستة بروتونات وستة نيوترونات) وعدد ذري ​​6 (مما يجعلها كربون). يحتوي الكربون 14 على ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. لذلك ، يحتوي على عدد كتلي 14 (ستة بروتونات وثمانية نيوترونات) وعدد ذري ​​6 ، مما يعني أنه لا يزال عنصر الكربون. هذان الشكلان البديلان للكربون هما نظائر. بعض النظائر غير مستقرة وتنبعث منها إشعاعات على شكل جسيمات وطاقة لتكوين عناصر أكثر استقرارًا. بعض أشكال الإشعاع خطيرة. تسمى هذه النظائر المشعة أو النظائر المشعة (الشكل ( PageIndex {b} )). خلال الاضمحلال الإشعاعي، يمكن أن يتحول نوع واحد من الذرة إلى نوع آخر من الذرة بهذه الطريقة (الشكل ( PageIndex {c} )).

الشكل ( PageIndex {b} ): نظائر الهيدروجين. كل هذه الذرات لها بروتون واحد ، لكن البروتيوم لا يحتوي على نيوترونات ، والدوتيريوم له نيوترون واحد ، والتريتيوم له نيوترونان. صورة من المركز الوطني لتطوير النظائر / الولايات المتحدة. برنامج نظائر الطاقة (المجال العام).

الشكل ( PageIndex {c} ): أ النظير المشع من الكربون (الكربون 14) ستة بروتونات وثمانية نيوترونات. يتحلل إلى نظير مستقر من النيتروجين (نيتروجين -14) ، الذي يحتوي على سبعة بروتونات وسبعة نيوترونات. يتحلل الكربون 14 بمعدل يمكن التنبؤ به ، حيث يتحلل نصفه كل 5730 سنة. نظرًا لوفرة الكربون في الكائنات الحية ، يتم استخدام معدل الانحلال المتوقع بشكل شائع لتأريخ الحفريات. صورة من CDC (المجال العام).

نصف الحياة

ال نصف الحياة هو مقدار الوقت الذي يستغرقه تحلل نصف النظير المشع الأصلي (الشكل ( PageIndex {d} )). على سبيل المثال ، يبلغ نصف عمر اليورانيوم 238 حوالي 4.5 مليار سنة. بعد 4.5 مليار سنة ، سيتبقى فقط نصف (50٪) الكمية الأصلية من اليورانيوم 238. سوف يتحلل الباقي إلى الثوريوم 234 (وهو أيضًا مشع ويتحلل بسرعة إلى سلسلة من النظائر المشعة ، حتى يصبح في النهاية الرصاص 206 ، وهو مستقر ؛ الشكل ( PageIndex {e-f} )). بعد نصف عمر (9 مليارات سنة) ، سيبقى نصف الـ 50٪ فقط (25٪ من الأصل). بعد ثلاثة أنصاف عمر ، بقي فقط 12.5٪ من اليورانيوم 238 الأصلي.

الشكل ( PageIndex {d} ): بعد كل نصف عمر ، 50٪ من نظير مشع dcays. بعد نصف عمر واحد ، يتبقى 50٪ (1/2 ؛ 0.5) من النظير المشع. بعد نصف عمر يبقى 25٪ فقط من النظير المشع الأصلي. الصورة بواسطة Fraknoi و Morrison و Wolff / OpenStax (CC-BY). الدخول مجانًا في openstax.org.

الشكل ( PageIndex {e} ): عندما يتحلل اليورانيوم 238 غير المستقر ، فإنه يصدر جسيم ألفا (α) ، وهو عبارة عن بروتونين واثنين من النيوترون. هذا يغيره إلى عنصر جديد (الثوريوم - 234). صورة OpenStax (CC-BY). قم بالتنزيل مجانًا من openstaxcollege.org.

الشكل ( PageIndex {f} ): سلسلة اضمحلال اليورانيوم 238. يتم سرد كل كتلة من النظائر والعدد الذري ونصف الحي بالترتيب ، على يمين الرمز الذري. يتم تمييز كل سهم بنوع الإشعاع الصادر: إشعاع ألفا (α) ، وهو عبارة عن بروتونين واثنين من النيوترونين ، أو إشعاع بيتا (β) ، وهو إلكترون عالي الطاقة. يستمر التسوس حتى ينتهي بنظير مستقر (غير مشع) ، الرصاص (Pb-206). الصورة عن طريق Tosaka (CC-BY).

التطور في العمل: التأريخ بالكربون

الكربون 14 (14C) هو نظير مشع طبيعي يتم إنشاؤه في الغلاف الجوي بواسطة الأشعة الكونية. هذه عملية مستمرة ، وأكثر من ذلك 14يتم إنشاء C دائمًا. مع تطور كائن حي ، فإن المستوى النسبي لـ 14C في جسمه يساوي تركيز 14 درجة مئوية في الغلاف الجوي. عندما يموت الكائن الحي ، فإنه لم يعد يبتلع 14C ، وبالتالي فإن النسبة ستنخفض. 14يتحلل C إلى 14N من خلال عملية تسمى تحلل بيتا ؛ يعطي الطاقة في هذه العملية البطيئة (الشكل ( PageIndex {c} )). بعد ما يقرب من 5730 سنة ، نصف تركيز البداية فقط 14سيتم تحويل C إلى 14N. الوقت الذي يستغرقه نصف التركيز الأصلي للنظير حتى يتحلل إلى شكله الأكثر استقرارًا يسمى نصف عمره.

لأن نصف عمر 14C طويل ، ويستخدم لتقدم العمر في الكائنات الحية سابقًا ، مثل الأحافير. باستخدام نسبة 14وجد تركيز C في كائن لمقدار 14تم اكتشاف C في الغلاف الجوي ، ويمكن تحديد كمية النظير الذي لم يتحلل بعد. بناءً على هذا المقدار ، يمكن حساب عمر الحفرية بحوالي 50000 سنة (الشكل ( PageIndex {g} ) أدناه). تستخدم النظائر ذات فترات نصف عمر أطول ، مثل البوتاسيوم -40 ، لحساب أعمار الحفريات القديمة. من خلال استخدام التأريخ بالكربون ، يمكن للعلماء إعادة بناء البيئة والجغرافيا الحيوية للكائنات الحية التي تعيش خلال الخمسين ألف سنة الماضية.

الشكل ( PageIndex {g} ): يمكن تحديد عمر البقايا التي تحتوي على الكربون والتي يقل عمرها عن حوالي 50000 عام ، مثل هذا الماموث الأقزام ، باستخدام التأريخ بالكربون. (الائتمان: Bill Faulkner / NPS)

تفاعلات الانشطار النووي

تفاعلات الانشطار النووي هي تلك التي تتضمن تقسيم نواة الذرة (الشكل ( PageIndex {h} )). يمكن تحفيزها عن طريق تفجير العناصر المشعة بالنيوترونات. كما هو الحال مع الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي ، تطلق تفاعلات الانشطار النووي المستحثة الطاقة. الطاقة الحرارية المنبعثة عندما يمكن استخدام الانشطار النووي لتوليد الكهرباء. هذا هو أساس الطاقة النووية. حاليا، اليورانيوم 235 (235يو ؛ أحد نظائر اليورانيوم كتلته الذرية 235) يستخدم حاليًا كوقود لتفاعلات الانشطار النووي (الشكل ( فهرس الصفحة {h} )).

الشكل ( PageIndex {h} ): يتضمن الانشطار النووي تقسيم نواة الذرة ، لكن الاندماج النووي ينطوي على دمج نوى أصغر في نواة أكبر. صورة سارة هارمان / الولايات المتحدة. وزارة الطاقة (المجال العام).

الشكل ( PageIndex {i} ): انشطار اليورانيوم 235 (235U) عن طريق قصفها بالنيوترون. ينتج عن هذا اليورانيوم 236 ، وهو غير مستقر وينقسم إلى شظايا انشطار ونيوترونات إضافية. يتم إطلاق الطاقة نتيجة لذلك. الكرات الحمراء هي نيوترونات ، والمجالات الزرقاء هي بروتونات. الصورة عن طريق BC Open Textbooks (CC-BY).

الإسناد

تم التعديل بواسطة ميليسا ها من مادة من علم الأحياء البيئي بواسطة ماثيو آر فيشر (مرخص بموجب CC-BY)


النظائر المشعة

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

النظائر المشعة، وتسمى أيضا النظائر المشعة النويدات المشعة أو نوكليد مشعة، أي نوع من عدة أنواع من نفس العنصر الكيميائي بكتل مختلفة والتي تكون نواتها غير مستقرة وتبدد الطاقة الزائدة عن طريق إصدار إشعاع تلقائي على شكل أشعة ألفا وبيتا وجاما.

ما هو النظير المشع؟

النظير المشع ، المعروف أيضًا باسم النظائر المشعة ، أو النويدات المشعة ، أو النويدات المشعة ، هو أي من عدة أنواع من نفس العنصر الكيميائي مع كتل مختلفة نواتها غير مستقرة وتبدد الطاقة الزائدة عن طريق الانبعاث التلقائي للإشعاع على شكل ألفا وبيتا و أشعة غاما. يحتوي كل عنصر كيميائي على واحد أو أكثر من النظائر المشعة. على سبيل المثال ، الهيدروجين ، أخف العناصر ، له ثلاثة نظائر ، والتي لها أعداد كتلتها 1 و 2 و 3. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين 3 (التريتيوم) فقط هو نظير مشع ، أما النظائر الأخرى فهي مستقرة. أكثر من 1800 نظير مشع للعناصر المختلفة معروفة. تم العثور على بعض هذه في الطبيعة ، ويتم إنتاج الباقي بشكل مصطنع كمنتجات مباشرة للتفاعلات النووية أو بشكل غير مباشر كأحفاد مشعة لهذه المنتجات. يتحلل كل نظير مشع "أب" في النهاية إلى واحدة أو على الأكثر عدد قليل من "بنات" النظائر المستقرة الخاصة بهذا الوالد.

كيف يتم إنتاج النظائر المشعة؟

هناك عدة مصادر للنظائر المشعة. توجد بعض النظائر المشعة كإشعاع أرضي. توجد النظائر المشعة للراديوم والثوريوم واليورانيوم ، على سبيل المثال ، بشكل طبيعي في الصخور والتربة. يوجد اليورانيوم والثوريوم أيضًا بكميات ضئيلة في الماء. يوجد الرادون ، الناتج عن الاضمحلال الإشعاعي للراديوم ، في الهواء. تحتوي المواد العضوية عادةً على كميات صغيرة من الكربون المشع والبوتاسيوم. يُعد الإشعاع الكوني الصادر عن الشمس والنجوم الأخرى مصدرًا لإشعاع الخلفية على الأرض. يتم إنتاج النظائر المشعة الأخرى من قبل البشر عن طريق التفاعلات النووية ، مما يؤدي إلى مجموعات غير مستقرة من النيوترونات والبروتونات. تتمثل إحدى طرق إحداث التحول النووي بشكل مصطنع في قصف النظائر المستقرة بجزيئات ألفا.

كيف تستخدم النظائر المشعة في الطب؟

للنظائر المشعة العديد من التطبيقات المفيدة. على وجه الخصوص ، فهي مركزية في مجالات الطب النووي والعلاج الإشعاعي. في الطب النووي ، يمكن تناول النظائر المشعة عن طريق الفم أو حقنها أو استنشاقها في الجسم. يدور النظير المشع عبر الجسم أو يتم تناوله فقط بواسطة أنسجة معينة. يمكن تتبع توزيعه وفقًا للإشعاع الذي يصدره. في العلاج الإشعاعي ، تُستخدم النظائر المشعة عادةً لتدمير الخلايا المريضة. يستخدم العلاج الإشعاعي عادة لعلاج السرطان والحالات الأخرى التي تنطوي على نمو غير طبيعي للأنسجة ، مثل فرط نشاط الغدة الدرقية. يمكن أن تؤدي حزم الجسيمات دون الذرية ، مثل البروتونات أو النيوترونات أو جسيمات ألفا أو بيتا ، الموجهة نحو الأنسجة المريضة إلى تعطيل التركيب الذري أو الجزيئي للخلايا غير الطبيعية ، مما يؤدي إلى موتها. تستخدم التطبيقات الطبية النظائر المشعة الاصطناعية التي تم إنتاجها من نظائر مستقرة تم قصفها بالنيوترونات.

يتبع علاج موجز للنظائر المشعة. للعلاج الكامل ، ارى النظير: النظائر المشعة.

يحتوي كل عنصر كيميائي على واحد أو أكثر من النظائر المشعة. على سبيل المثال ، الهيدروجين ، أخف عنصر ، له ثلاثة نظائر بأرقام كتلتها 1 و 2 و 3. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين 3 (التريتيوم) فقط هو نظير مشع ، والاثنان الآخران مستقران. أكثر من 1000 نظير مشع للعناصر المختلفة معروفة. تم العثور على ما يقرب من 50 منها في الطبيعة ، ويتم إنتاج الباقي بشكل مصطنع كمنتجات مباشرة للتفاعلات النووية أو بشكل غير مباشر كأحفاد مشعة لهذه المنتجات.

للنظائر المشعة العديد من التطبيقات المفيدة. في الطب ، على سبيل المثال ، يستخدم الكوبالت 60 على نطاق واسع كمصدر إشعاع لوقف تطور السرطان. تُستخدم النظائر المشعة الأخرى كمقتفعات لأغراض التشخيص وكذلك في البحث عن عمليات التمثيل الغذائي. عندما يُضاف نظير مشع بكميات صغيرة إلى كميات كبيرة نسبيًا من العنصر المستقر ، فإنه يتصرف تمامًا مثل النظير العادي كيميائيًا ، ومع ذلك ، يمكن تتبعه باستخدام عداد جيجر أو أي جهاز كشف آخر. أثبت اليود 131 فعاليته في علاج فرط نشاط الغدة الدرقية. نظير مشع آخر مهم طبيا هو الكربون 14 ، والذي يستخدم في اختبار التنفس للكشف عن البكتيريا المسببة للقرحة هيليوباكتر بيلوري.


كيف يرتبط الاستقرار النووي بنسبة النيوترون-البروتون؟

النواة غير مستقرة إذا كانت نسبة النيوترون-البروتون أقل من 1: 1 أو أكبر من 1.5.

تفسير:

على مسافات قريبة ، توجد قوة نووية قوية بين النيوكليونات. تأتي هذه القوة الجاذبة من النيوترونات.

تحتاج المزيد من البروتونات في النواة إلى مزيد من النيوترونات لربط النواة معًا.

الرسم البياني أدناه هو رسم بياني لعدد النيوترونات مقابل عدد البروتونات في نظائر مستقرة مختلفة.

النوى المستقرة موجودة في النطاق الوردي المعروف باسم حزام الاستقرار.

لديهم نسبة نيوترون / بروتون بين 1: 1 و 1.5.

عندما تكبر النواة ، تضعف التنافرات الكهروستاتيكية بين البروتونات.

القوة النووية القوية أقوى بحوالي 100 مرة من التنافرات الكهروستاتيكية.

تعمل على مسافات قصيرة فقط.

بعد حجم معين ، القوة القوية غير قادرة على تثبيت النواة معًا.

تؤدي إضافة نيوترونات إضافية إلى زيادة المسافة بين البروتونات.

هذا يقلل من تنافرهم ، ولكن إذا كان هناك الكثير من النيوترونات ، فإن النواة مرة أخرى غير متوازنة وتتحلل.


5.2.1: النظائر المشعة - علم الأحياء

من بين جميع الطرق المستخدمة لفهم العمليات الهيدرولوجية في مستجمعات المياه الصغيرة ، كانت تطبيقات أدوات التتبع - لا سيما متتبعات النظائر - هي الأكثر فائدة من حيث توفير رؤى جديدة للعمليات الهيدرولوجية. وذلك لأنها تدمج التباين على نطاق صغير لإعطاء مؤشر فعال لعمليات نطاق مستجمعات المياه (McDonnell and Kendall، 1992 Buttle، 1994). في المقابل ، لا يمكن استخدام قياسات نقطة مستجمعات المياه الداخلية ، مثل تلك الخاصة بمستوى المياه أو تكوين المياه الجوفية ، بدون استقراء أو افتراضات إضافية حول سلوك مستجمعات المياه. يتم أيضًا "تطبيق" النظائر على مقياس مستجمعات المياه (أي أنها ضمن جميع مكونات الدورة الهيدرولوجية). على وجه الخصوص ، 18 O و 2 H و 3 H هي أجزاء لا يتجزأ من جزيئات المياه الطبيعية التي تتساقط على شكل مطر أو ثلج (مياه نيزكية) كل عام فوق مستجمعات المياه ، وبالتالي فهي أدوات تتبع مثالية للمياه. يسمح هذا التطبيق غير المكلف وطويل الأمد والواسع الانتشار لهذه المتتبعات الطبيعية لعلماء الهيدرولوجيا بدراسة توليد الجريان السطحي على نطاقات تتراوح من المسامات الكبيرة إلى منحدرات التلال إلى التدفقات من الدرجة الأولى والعالية (Sklash ، 1990).

النظائر البيئية هي نظائر طبيعية وبشرية المنشأ يمكن أن يساعد توزيعها الواسع في الغلاف المائي في حل المشكلات الهيدروجيوكيميائية. تشمل الاستخدامات النموذجية للنظائر البيئية في الهيدرولوجيا ما يلي:

  • تحديد الآليات المسؤولة عن توليد التدفق
  • اختبار نماذج مسار التدفق والميزانية المائية التي تم تطويرها باستخدام البيانات الهيدرومترية
  • توصيف مسارات التدفق التي تتبعها المياه من وقت وصول هطول الأمطار إلى الأرض حتى التصريف في التيار
  • تحديد تفاعلات التجوية التي تعمل على تعبئة المواد المذابة على طول ممرات التدفق هذه
  • تحديد دور الترسبات الجوية في التحكم في كيمياء المياه
  • تحديد مصادر المواد المذابة في الأنظمة الملوثة و
  • تقييم الدورة البيولوجية للمغذيات داخل النظام البيئي

قبل الشروع في أساسيات الكيمياء الجيولوجية للنظائر ، نود أن نختتم هذه المقدمة بملاحظة تحذيرية تم تقديمها لأول مرة في عام 1983 في دورة قصيرة حول الهيدرولوجيا النظيرية شارك في تدريسها تايلر ب. كوبلين وكارول كيندال للعلماء في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية . تم تكرار هذه الملاحظة المناسبة للغاية في كل دورة لاحقة من USGS قمنا بتدريسها:

2.2 أساسيات الكيمياء الجيولوجية للنظائر

يقدم القسم التالي مناقشة موجزة جدًا لأساسيات الكيمياء الجيولوجية المستقرة والنظائر المشعة ، والتي تهدف إلى تزويد القراء بالمعلومات الأساسية اللازمة لفهم الفصول التالية. تتم مناقشة العديد من الموضوعات أدناه بمزيد من التفصيل في فصول فردية. لمزيد من المعلومات حول منهجيات النظائر ، يتم تشجيع القراء على فحص الكتب المرجعية للنظائر التالية: Clark and Fritz (1997) ، Dickin (1995) ، Faure (1986) ، and Gat and Gonfiantini (1981). أولها عبارة عن كتاب مدرسي مخصص لطلاب القسم العلوي وطلاب جيولوجيا الهيدروجين ، ويحتوي على مجموعات من المشكلات.

النظائر هي ذرات من نفس العنصر لها أعداد مختلفة من النيوترونات. الاختلافات في عدد النيوترونات بين النظائر المختلفة لعنصر ما تعني أن النظائر المختلفة لها كتل مختلفة. يُطلق على الرقم المرتفع الموجود على يسار تسمية العنصر رقم الكتلة وهو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النظير (الشكل 2.1). على سبيل المثال ، من بين نظائر الهيدروجين ، يحتوي الديوتيريوم (المشار إليه على أنه D أو 2 H) على نيوترون واحد وبروتون واحد. هذا العدد الكتلي 2 يساوي تقريبًا ضعف كتلة البروتيوم (1 ساعة) ، بينما يحتوي التريتيوم (3 ساعات) على نيوترونين وكتلته تقريبًا ثلاثة أضعاف كتلة البروتيوم. نظائر نفس العنصر لها نفس عدد البروتونات. على سبيل المثال ، تحتوي جميع نظائر الأكسجين على 8 بروتونات ، ومع ذلك ، تحتوي ذرة الأكسجين بكتلة 18 (المشار إليها بـ 18 O) على نيوترونين أكثر من الأكسجين بكتلة 16 (16 O). تُلفظ أسماء النظائر عادةً باسم العنصر أولاً ، كما هو الحال في "الأكسجين -18" بدلاً من "18-أوكسجين". في العديد من النصوص ، خاصة تلك القديمة التي لا تحتوي على أحرف مرتفعة ، يظهر الرقم الكتلي على يمين اختصار العنصر ، كما هو الحال في C-13 أو C 13 للكربون 13.

التركيبات النظيرية الأصلية لأنظمة الكواكب هي دالة للعمليات النووية في النجوم. بمرور الوقت ، تتغير التركيبات النظيرية في البيئات الأرضية من خلال عمليات الاضمحلال الإشعاعي ، وتفاعلات الأشعة الكونية ، والتجزئة المعتمدة على الكتلة التي تصاحب التفاعلات غير العضوية والبيولوجية ، والأنشطة البشرية مثل معالجة الوقود النووي ، وحوادث المفاعلات ، واختبار الأسلحة النووية . النظائر المشعة (غير المستقرة) هي نويدات (ذرات خاصة بالنظائر) تتفكك تلقائيًا بمرور الوقت لتكوين نظائر أخرى. أثناء التفكك ، تصدر النظائر المشعة جسيمات ألفا أو بيتا وأحيانًا أيضًا أشعة جاما. النظائر المستقرة هي نويدات لا يبدو أنها تتحلل إلى نظائر أخرى على المقاييس الزمنية الجيولوجية ، ولكنها قد تنتج نفسها عن طريق اضمحلال النظائر المشعة.

تحدد النويدات التي تحدث بشكل طبيعي مسارًا في مخطط النويدات ، يتوافق مع أكبر استقرار لنسبة النيوترون / البروتون (N / Z). بالنسبة للنويدات ذات الكتلة الذرية المنخفضة ، يتحقق أكبر قدر من الاستقرار عندما يكون عدد النيوترونات والبروتونات متساويًا تقريبًا (N = Z) وهذه هي ما يسمى بالنظائر المستقرة (يُشار إليها بالنويدات المظللة في الشكل 2.1). ومع ذلك ، مع زيادة الكتلة الذرية ، تزداد نسبة النيوترون / البروتون المستقرة حتى N / Z = 1.5.يحدث التحلل الإشعاعي عندما تتسبب التغيرات في N و Z في نوكليد غير مستقر في تحول ذرة من نوكليدة إلى ذرة أخرى أكثر استقرارًا ، وتسمى هذه النويدات المشعة بالنويدات غير المستقرة (يشار إليها على أنها النويدات غير المظللة في الشكل 2.1. ).

تسمى الذرات الناتجة عن التحلل الإشعاعي للنويدات الأخرى بأنها إشعاعية. يتم إنتاج عدد قليل من النويدات عن طريق القصف بالأشعة الكونية للنويدات المستقرة في الغلاف الجوي ويطلق عليها اسم الكون. يمكن إنشاء نويدات أخرى عن طريق إضافة النيوترونات الناتجة عن اضمحلال ألفا للنويدات الأخرى (تنشيط النيوترونات). بدلاً من ذلك ، يمكن أن تحل إضافة النيوترون محل بروتون في النواة ، مما يؤدي إلى تكوين نوكليدة من نفس الكتلة الذرية ولكن عدد ذري ​​أقل. تسمى النيوكليدات التي تنتجها هاتان العمليتان الليتوجينيك. إذا كان المنتج الابنة مشعًا ، فسوف يتحلل ليشكل نظيرًا لعنصر آخر. ستستمر هذه العملية حتى يتم إنتاج نوكليد مستقر. على سبيل المثال ، يتحلل اليورانيوم والثوريوم لتشكيل النويدات المشعة الأخرى التي هي نفسها مشعة وتتحلل إلى النويدات المشعة الأخرى ، وهكذا دواليك حتى يتم تكوين نظائر الرصاص المستقرة (انظر الفصل 20 عن سلاسل اضمحلال اليورانيوم). على الرغم من شيوع استخدام المصطلحين النويدات الأم والابنة ، إلا أن هذه المصطلحات يمكن أن تكون مضللة. تتأثر ذرة واحدة فقط أثناء الاضمحلال الإشعاعي ، أي أن نوكليد الابنة هو نفس نوكليد الذرة الأم. ومع ذلك ، بعد الاضمحلال الإشعاعي لديها عدد مختلف من النيوترونات في نواتها.

يمكن أن يحدث التغيير في عدد النيوترونات بعدة طرق (الشكل 2.1). ومع ذلك ، فإن الآليات الأربع الموضحة أدناه هي الأكثر شيوعًا وتنتج النويدات المشعة الأكثر صلة بالدراسات الهيدرولوجية والجيولوجية:

يحدث اضمحلال بيتا عندما تقوم نوكليدات ناقصة في البروتونات بتحويل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ، وطرد الإلكترون من النواة كجسيم ب سالب (ب -) ، وبالتالي زيادة العدد الذري بمقدار واحد بينما يتم تقليل عدد النيوترونات بمقدار واحد.

يحدث اضمحلال البوزيترون عندما تقوم نوكليدات ناقصة في النيوترونات بتحويل البروتون إلى نيوترون وإلكترون (ب +) ونيوترينو ، مما يؤدي إلى تقليل العدد الذري بمقدار واحد وزيادة عدد النيوترونات بمقدار واحد. البنات متساويات الكتلة (نويدات متساوية الكتلة) لوالديهن ونظائر لعناصر مختلفة.

يحدث التقاط بيتا (أو التقاط الإلكترون) عندما تقوم نوكليدات ناقصة في النيوترونات بتحويل البروتون إلى نيوترون زائد نيوترينو عن طريق التقاط إلكترون بواسطة بروتون ، وبالتالي تقليل عدد البروتونات في النواة بمقدار واحد. ينتج عن كل من هذا واضمحلال البوزيترون نوكليد مشع يكون مساويًا للنويدات الأم.

يحدث تحلل ألفا عندما تنبعث الذرات الثقيلة فوق Z = 83 في الرسم البياني للنويدات جسيم ألفا ، والذي يتكون من نوى هيليوم مع نيوترونين ، وبروتونين ، وشحنة 2 +. هذا المنتج الابنة المشعة ليس في متساوي الضغط من نويته الأصلية لأن كتلته تنخفض بمقدار أربعة (انظر الشكل 2.1).

هناك العديد من الطرق الشائعة الاستخدام لإجراء مقارنات بين قيم d من مادتين. يفضل الأولان لوضوحهما ، والرابع يجب تجنبه:

(1) القيم العالية مقابل القيم المنخفضة

(2) أكثر / أقل إيجابية مقابل أكثر / أقل سلبية (على سبيل المثال ، -10 أكثر إيجابية من -20 درجة)

(3) أثقل مقابل أخف (المادة "الثقيلة" هي التي تحتوي على قيمة d أعلى)

(4) المخصب مقابل المستنفد (تذكر دائمًا أن تذكر ما هو نقص المعروض من النظائر ، على سبيل المثال ، يتم إثراء المادة بـ 18 O أو 16 O بالنسبة إلى بعض المواد الأخرى ، وأن التخصيب أو النضوب هو نتيجة لبعض التفاعل أو معالجة). على سبيل المثال ، فإن القول بأن "عينة واحدة تم إثرائها في 34 ثانية بالنسبة إلى أخرى بسبب تقليل الكبريتات" هو استخدام مناسب. عبارات مثل "للعينة قيمة مخصبة d 15 N" هي إساءة استخدام للمصطلحات.

عادةً ما يتم الإبلاغ عن التركيبات النظيرية للمواد التي تم تحليلها على مقاييس الطيف الكتلي بالنسبة إلى بعض المعايير المرجعية الدولية. يتم تحليل العينات في نفس الوقت الذي يتم فيه تحليل هذه المواصفة القياسية أو باستخدام بعض المعايير المختبرية الداخلية التي تمت معايرتها وفقًا للمعيار الدولي. بدلاً من ذلك ، يمكن الإبلاغ عن النسب المطلقة للنظائر. تتوفر كميات صغيرة من هذه المعايير المرجعية لأغراض المعايرة إما من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في الولايات المتحدة الأمريكية (موقع الويب: http://www.nist.gov/) ، أو الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA) ) في فيينا (الموقع: http://www.iaea.or.at/).

تُستخدم معايير نظيرية مختلفة للإبلاغ عن تركيبات نظيرية مستقرة خفيفة (الجدول 2.1). تم تحديد قيم d لكل معيار من المعايير على أنها 0 . عادة ما يتم الإبلاغ عن قيم D و d 18 O بالنسبة لمعيار SMOW (معيار متوسط ​​مياه المحيط Craig ، 1961) أو ما يعادله من VSMOW (Vienna-SMOW). d 13 تم الإبلاغ عن قيم C بالنسبة إما لمعيار PDB (Pee Dee Belemnite) أو ما يعادله من VPDB (Vienna-PDB). د 18 O يتم أيضًا الإبلاغ عن قيم كربونات درجة الحرارة المنخفضة بشكل شائع بالنسبة لـ PDB أو VPDB.

الجدول 2.1. نسب الوفرة والمعايير المرجعية لبعض النظائر البيئية.

النظائر النسبة المقاسة المعيار المرجعي نسبة الوفرة
من المعيار
2 ح 2 ح / 1 ح VSMOW 1.5575 و 10 -4
3 هو 3/4 ح هو الغلاف الجوي 1.3 و middot 10 -6
6 لي 6 لي / 7 لي L-SVEC 8.32 و 10 -2
11 ب 11 ب / 10 ب مصلحة الدولة للاحصاء 951 4.04362
13 ج 13 ج / 12 ج VPDB 1.1237 و 10 -2
15 شمال 15 ن / 14 ن الغلاف الجوي N 2 3.677 و 10 -3
18 س 18 س / 16 س VSMOW أو 2.0052 و 10 -3
VPDB 2.0672 و 10 -3
34 ق 34 ق / 32 ق CDT 4.5005 و 10 -2
37 سل 37 سل / 35 سل SMOC 0.324
87 ريال 87 ريال / 86 ريال نسبة مطلقة ، أو
مواد متعددة

VSMOW و VPDB متطابقان تقريبًا مع معايير SMOW و PDB. من المفترض أن يعني استخدام VSMOW و VPDB أن القياسات تمت معايرتها وفقًا لإرشادات الوكالة الدولية للطاقة الذرية للتعبير عن قيم d المتعلقة بالمواد المرجعية المتاحة على مقاييس permil الموحدة (كوبلين ، 1994 1995 1996). المختبرات التي اعتادت على تحليل المركبات التركيبية الغنية بالنظائر الثقيلة (أو الخفيفة بشكل أقل شيوعًا) قد تبلغ عن وفرة نظيرية مطلقة في نسبة الوزن الذري أو جزء في المليون ، بدلاً من النسب النسبية في البيرميل. بشكل عام ، يتم الإبلاغ عن النظائر المشعة كتركيزات أو نسب مطلقة. عادةً ما يتم الإبلاغ عن قيم التريتيوم (3 ساعات) كتركيزات مطلقة ، تسمى وحدات التريتيوم (TU) حيث يتوافق TU واحد مع 1 ذرة تريتيوم لكل 10 18 ذرة هيدروجين. يمكن أيضًا التعبير عن قيم التريتيوم من حيث النشاط (pico-Curies / لتر ، pCi / L) أو التحلل (التفكك في الدقيقة / لتر ، dpm / L) ، حيث 1 TU = 3.2 pCi / L = 7.2 dpm / L. يُشار إلى محتويات 14 C إلى معيار دولي يُعرف باسم "الكربون الحديث" ويتم التعبير عنه عادةً كنسبة مئوية من الكربون الحديث (pmc).

2.3 تجزئة النظائر المستقرة

2.3.1 خصائص الجزيئات النظيرية

تمتلك النظائر المختلفة لعنصر ما خصائص كيميائية وفيزيائية مختلفة قليلاً بسبب الاختلافات في الكتلة. في ظل الظروف المناسبة ، يمكن أن تظهر هذه الاختلافات على أنها تأثير تجزئة نظيرية تعتمد على الكتلة. من ناحية أخرى ، تؤدي التفاعلات النووية إلى تأثير غير معتمد على الكتلة بمعنى أنها تعتمد على البنية النووية ، وليس على فرق الوزن في حد ذاته. في الحالة الأولى ، على سبيل المثال ، ستكون خصائص الجزيئات ذات 17 O وسيطة بين خصائص الجزيئات ذات 16 O و 18 O ، وهذا ليس بالضرورة هو الحال بالنسبة للتأثيرات غير المعتمدة على الكتلة. بالنسبة للعناصر ذات الأعداد الذرية المنخفضة ، تكون هذه الاختلافات في الكتلة كبيرة بما يكفي للعديد من العمليات أو التفاعلات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لتجزئة أو تغيير النسب النسبية لنظائر مختلفة لنفس العنصر في مركبات مختلفة. نتيجة لعمليات التجزئة ، غالبًا ما تطور المياه والمذابات تركيبات نظيرية فريدة (نسب من النظائر الثقيلة إلى الخفيفة) والتي قد تشير إلى مصدرها أو العمليات التي تشكلها.

هناك نوعان رئيسيان من الظواهر ينتجان تجزئة نظيرية: تفاعلات تبادل النظائر والعمليات الحركية. يمكن النظر إلى تفاعلات تبادل النظائر على أنها مجموعة فرعية من تفاعلات النظائر الحركية حيث تظل المواد المتفاعلة والمنتجات على اتصال في نظام مغلق ومختلط جيدًا بحيث يمكن حدوث تفاعلات خلفية ويمكن إنشاء توازن كيميائي. في ظل هذه الظروف ، يمكن أيضًا إنشاء التوازن النظيري. تم العثور على مناقشات تفصيلية لتجزئة النظائر في O'Neil (1986) و Gat and Gonfiantini (1981) و Gat (1980) ونصوص أخرى.

2.3.2 التجزيء المصاحب للتفاعلات الكيميائية وتغيرات الطور

عادة ما تكون قوة الروابط الكيميائية التي تشتمل على أنواع مختلفة من النظائر مختلفة. الجزيئات التي تحتوي على نظائر ثقيلة أكثر استقرارًا (أي لديها طاقة تفكك أعلى) من الجزيئات التي تحتوي على نظائر أخف. ومن ثم ، يمكن تفسير التجزئة النظيرية بين الجزيئات بالاختلافات في طاقات نقطة الصفر (ZPE). على سبيل المثال ، يوجد فرق 2 كيلو كالوري / مول في ZPE مرتبط بكسر رابطة HH مقارنة برابطة D-D (الشكل 2.2). وبالتالي ، يتم كسر روابط H-H بسهولة أكبر وتكون روابط D-D أكثر استقرارًا. معدلات التفاعل الكيميائي حيث يتم كسر هذه الرابطة ستظهر أيضًا تأثيرًا نظيريًا. هذه تأثيرات كمية تصبح ملموسة في درجات الحرارة المنخفضة وتختفي عند درجات الحرارة المرتفعة. تكون اختلافات الطاقة المرتبطة بتأثيرات النظائر حوالي 1000 مرة أصغر من DG للتفاعلات الكيميائية ، وبالتالي لا يمكن أن تكون القوة الدافعة للتوازن الكيميائي.

تتضمن تفاعلات تبادل نظائر التوازن إعادة توزيع نظائر عنصر ما بين أنواع أو مركبات مختلفة (بالمعنى الدقيق للكلمة ، يحدث هذا فقط في نظام مغلق ومختلط جيدًا عند التوازن الكيميائي). في حالة التوازن النظيري ، تكون معدلات التفاعل الأمامية والخلفية لأي نظير معين متطابقة. هذا لا يعني أن التركيبات النظيرية لمركبين عند التوازن متطابقة ، ولكن فقط أن نسب النظائر المختلفة في كل مركب ثابتة لدرجة حرارة معينة.

أثناء تفاعلات التوازن ، يتراكم النظير الأثقل بشكل تفضيلي في النوع أو المركب ذي حالة الأكسدة الأعلى. على سبيل المثال ، يتم إثراء الكبريتات في 34 ثانية بالنسبة للكبريتيد (أي يحتوي على مواد مختلفة أكثر إيجابية قيمة d 34S) وبالتالي ، يصبح الكبريتيد المتبقي مستنفدًا في مواد مختلفة d 34 S. كقاعدة عامة ، بين مختلف من نفس المركب أو أنواع مختلفة من نفس العنصر ، فكلما كانت المادة أكثر كثافة ، تميل إلى التخصيب في النظائر الثقيلة. على سبيل المثال ، بالنسبة لمراحل الماء المختلفة ، عند التوازن ، d 18 O S> d 18 O L> d 18 O V. أيضًا ، قيم d 13 C و d 18 O لـ CO 2 & lt HCO 3 - & lt CaCO 3.

يمكن حساب قيمة عامل تجزئة التوازن هذا على أساس البيانات الطيفية للأنواع الجزيئية النظيرية ، على الأقل للجزيئات البسيطة. تختلف قيم a عمومًا بنسبة قليلة فقط عن قيمة الطاقة المتساوية 1.00 ، باستثناء تفاعلات التبادل التي تتضمن نظائر الهيدروجين حيث قد تكون القيم كبيرة مثل 4 في درجة حرارة الغرفة (انظر فريدمان وأونيل ، 1977). تعتمد علامة a وحجمه على العديد من العوامل ، من أهمها درجة الحرارة بشكل عام. تشمل العوامل الأخرى التركيب الكيميائي والبنية البلورية والضغط.

عوامل تجزئة التوازن (a l-v) لانتقال طور بخار الماء السائل هي 1.0098 و 1.084 عند 20 & OrmC و 1.0117 و 1.111 عند 0 & ordmC لـ 18 O و 2 H ، على التوالي (Majoube ، 1971). في كلتا الحالتين ، lv> 1 ، مما يعني أن المرحلة الأولى (الماء السائل) "أثقل" من المرحلة الثانية (على سبيل المثال ، بالنسبة لـ lv = 1.0098 ، يكون d 18O من الماء + 9.8 درجة أعلى من د 18 O قيمة البخار عند التوازن). بالنسبة لانتقال الماء الجليدي (0 & ordmC) ، فإن القيم هي 1.0035 و 1.0208 ، على التوالي (Arnason ، 1969).

د أ - د ب. على سبيل المثال ، إذا كانت d B = + 10 وإذا كانت A-B = 1.020 ، فعندئذٍ = 20 ° و d A

التجزئة الحركية
يمكن اعتبار العمليات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية إما تفاعلات توازن عكسية أو تفاعلات حركية أحادية الاتجاه لا رجعة فيها. في الأنظمة الخارجة من التوازن الكيميائي والنظيري ، لا تكون معدلات التفاعل الأمامية والخلفية متطابقة ، وقد تكون التفاعلات النظيرية ، في الواقع ، أحادية الاتجاه إذا أصبحت نواتج التفاعل معزولة فيزيائيًا عن المواد المتفاعلة. تعتمد معدلات التفاعل هذه على نسب كتل النظائر وطاقاتها الاهتزازية ، ومن ثم تسمى تجزئة النظائر الحركية.

يعتمد حجم تجزئة النظائر الحركية على مسار التفاعل ، ومعدل التفاعل ، وطاقات الرابطة النسبية للروابط التي يتم قطعها أو تكوينها بواسطة التفاعل. تكون التجزيئات الحركية ، خاصة تلك أحادية الاتجاه ، عادةً أكبر من عامل تجزئة التوازن للتفاعل نفسه في معظم البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة. كقاعدة عامة ، يتم كسر الروابط بين النظائر الأخف بسهولة أكبر من الروابط المكافئة للنظائر الثقيلة. ومن ثم ، تتفاعل النظائر الخفيفة بشكل أسرع وتتركز في المنتجات ، مما يتسبب في إثراء المواد المتفاعلة المتبقية في النظائر الثقيلة. في المقابل ، يمكن أن تنتج تفاعلات التوازن القابلة للانعكاس منتجات أثقل أو أخف من المواد المتفاعلة الأصلية.

يمكن أن تحدث العديد من التفاعلات إما في ظل ظروف توازن بحت أو تتأثر بتجزئة نظيرية حركية إضافية. على سبيل المثال ، على الرغم من أن التبادل النظيري بين الماء والبخار يمكن أن يحدث في ظل ظروف توازن أكثر أو أقل (على سبيل المثال ، عند رطوبة 100٪ عندما يكون الهواء ساكنًا ويكون النظام مغلقًا كيميائيًا تقريبًا) ، عادةً ما يكون النظام خارج المواد الكيميائية التوازن (على سبيل المثال ، & lt 100٪ رطوبة) أو تصبح المنتجات معزولة جزئيًا عن المواد المتفاعلة (على سبيل المثال ، ينفخ البخار الناتج في اتجاه الريح). في ظل هذه الظروف ، تتأثر التركيبات النظيرية للماء والبخار بتجزئة نظيرية حركية إضافية ذات حجم متغير (انظر أدناه).

لا تنطبق نفس الصيغ فقط عند إزالة جزء من النظام عن طريق تفاعل كيميائي أو بيولوجي ، ولكن أيضًا عند خروج المادة عن طريق الانتشار أو التدفق (على سبيل المثال ، عن طريق الانصباب من خلال فتحة). في الحالات الأخيرة ، قد يُفضل مصطلح عامل تجزئة النقل. يعتمد تجزئة النقل ، مثل عوامل التوازن ، على درجة الحرارة. ومع ذلك ، على عكس عوامل التجزئة الحركية الحقيقية ، والتي يمكن أن تكون ملحوظة تمامًا ، فإن تجزئة النقل لها معاملات درجة حرارة طفيفة (موجبة) فقط

2.3.3 معادلة رايلي

بالمعنى الدقيق للكلمة ، يجب استخدام مصطلح "تجزئة رايلي" فقط للأنظمة المفتوحة كيميائيًا حيث تكون الأنواع النظيرية التي تمت إزالتها في كل لحظة في حالة توازن ديناميكي حراري ونظائر مع تلك المتبقية في النظام في لحظة الإزالة. علاوة على ذلك ، فإن مثل هذا التقطير "المثالي" من Rayleigh هو واحد حيث يكون خزان المادة المتفاعلة محدودًا ومختلطًا جيدًا ، ولا يتفاعل مرة أخرى مع المنتج (Clark and Fritz ، 1997). ومع ذلك ، فإن المصطلح "تجزئة رايلي" يتم تطبيقه بشكل شائع على الأنظمة المغلقة المتوازنة والتجزئة الحركية أيضًا (كما هو موضح أدناه) لأن المواقف قد تكون متطابقة حسابيًا.

2.3.4 تجزئة النظائر في الأنظمة المفتوحة والمغلقة

تنطبق معادلة رايلي على نظام مفتوح تُزال منه المادة باستمرار بشرط وجود عامل تجزئة ثابت. ومع ذلك ، يمكن أن تستمر هذه العمليات في ظل ظروف حدية مختلفة ، حتى عندما تكون عوامل التجزئة هي نفسها. أحد هذه الأنظمة هو ما يسمى بالنظام "المغلق" (أو نموذج التوازن ثنائي الطور) ، حيث تتراكم المادة التي تمت إزالتها من أحد المكمن في خزان ثان بطريقة تحافظ على التوازن النظيري طوال العملية (Gat و Gonfiantini ، 1981). مثال على ذلك هو تكثيف البخار إلى قطرات في سحابة حيث يوجد تبادل مستمر بين النظائر في البخار وقطرات الماء.

يمكن أن يكون التخصيب بالنظائر الذي تم تحقيقه مختلفًا جدًا في الأنظمة المغلقة مقابل الأنظمة المفتوحة. على سبيل المثال ، يوضح الشكل 2.3 التغييرات في d 18 O للماء والبخار أثناء التبخر (عملية نظام مفتوح) حيث يتم إزالة البخار باستمرار (أي معزول عن الماء) مع عامل تجزئة ثابت a lv = 1.010 ( على سبيل المثال ، يكون البخار المتشكل حديثًا أخف دائمًا بمقدار 10 درجات من الماء المتبقي). مع تقدم التبخر (أي ،> -> O) ، يصبح d 18 O من الماء المتبقي (الخط الصلب A) أثقل وأثقل. يصف d 18 O للبخار المتشكل لحظيًا (الخط الصلب B) منحنى موازٍ لمنحنى الماء المتبقي ، ولكنه أقل منه (لجميع قيم) بالمقدار الدقيق الذي يمليه عامل التجزئة لدرجة الحرارة المحيطة ، في هذه الحالة بمقدار 10 درجات. بالنسبة لدرجات الحرارة المرتفعة ، ستكون القيمة أصغر وتكون المنحنيات أقرب من بعضها البعض. يظهر المنحنى المتكامل ، الذي يعطي التركيبة النظيرية للبخار المتراكم المزال بهذه الطريقة ، كخط صلب ج. تتطلب اعتبارات توازن الكتلة أن يقترب محتوى النظائر من إجمالي البخار المتراكم من قيمة الماء الأولية d 18 O كـ -> O وبالتالي ، يجب تنفيذ أي عملية حتى اكتمالها (بنسبة 100٪) لتجنب التجزئة النظيرية.

توضح الخطوط المتقطعة في الشكل 2.3 d 18 O للبخار (E) والماء (D) ​​أثناء تبخر التوازن في نظام مغلق (أي ، حيث يكون البخار والماء على اتصال لتغيير المرحلة بأكملها). لاحظ أن d 18 O للبخار في النظام المفتوح حيث يتم إزالة البخار باستمرار (الخط B) يكون دائمًا أثقل من d 18 O للبخار في نظام مغلق حيث يبقى البخار (الخط E) والماء (الخط D) على تواصل. في كلتا الحالتين ، يحدث التبخر في ظل ظروف توازن مع = 1.010 ، لكن البخار التراكمي في النظام المغلق يظل في حالة توازن مع الماء أثناء تغيير المرحلة بأكملها. كقاعدة عامة ، تخلق التجزئات في عملية رايلي "المفتوحة للنظام" نطاقًا أكبر بكثير في التركيبات النظيرية للمنتجات والمواد المتفاعلة مقارنة بالأنظمة المغلقة. هذا بسبب عدم وجود ردود فعل خلفية في الأنظمة المفتوحة. ستنتج العمليات الطبيعية تجزئة بين هاتين الحالتين "المثاليتين".

قد تتصرف التجزئة غير المتوازنة الأخرى مثل تجزئة رايلي حيث قد يكون هناك تفاعل رجعي ضئيل بين المادة المتفاعلة والمنتج ، بغض النظر عما إذا كان النظام مفتوحًا أم مغلقًا ، بسبب الحركية. عادةً ما ينتج عن هذه التجزئة نطاقات تكوين أكبر من تفاعلات التوازن المكافئة. مثال على هذه العملية هو نزع النتروجين (اختزال) النترات بوساطة بيولوجية إلى N 2 في المياه الجوفية ، حيث يتم فقد N 2 لذلك لا يمكن إعادة موازنته مع النترات ، حتى لو كان هناك رد فعل عكسي بواسطة هذا الكائن الحي ، والذي لا يوجد ر. يوضح الشكل 2.4 كيف تؤثر تجزئة رايلي من نوع رايلي على تكوينات الركيزة المتبقية ، والمنتج الآني ، والمنتج التراكمي (الخطوط المنحنية) أثناء تفاعل حركي مغلق (على سبيل المثال ، نزع النتروجين ، أو امتصاص النتروجين بواسطة النباتات ، أو النترجة).لاحظ أنه في جميع الأوقات ، تكون قيم d للمنتج اللحظي "" أقل من قيم d المقابلة للركيزة المتبقية. الخطوط المستقيمة المتوازية هي التركيبات لتفاعل حركي مفتوح النظام حيث يكون إمداد الركيزة غير محدود ، وبالتالي لا يتأثر بتحويل بعض الركيزة إلى منتج بتجزئة ثابتة لـ e.

الخطوط المنحنية في الشكل 2.4 تشبه إلى حد بعيد الخطوط المنحنية في الشكل 2.3 ، وهو أمر معقول لأن كلاهما حلان لنفس معادلات رايلي. ومع ذلك ، تصف تلك الموجودة في الشكل 2.3 عملية توازن النظام المفتوح بينما تصف العمليات الموجودة في الشكل 2.4 عملية حركية للنظام المغلق. علاوة على ذلك ، تصور الخطوط المستقيمة في الشكل 2.3 نظامًا مغلقًا وتصور الخطوط غير المتشابهة ولكن المستقيمة أيضًا في الشكل 2.4 نظامًا مفتوحًا. ما الذي يجري هنا؟ كيف يمكن استخدام نفس معادلات رايلي لإنتاج منحنيات تجزئة موصوفة بشكل مختلف؟

تكمن الإجابة في المكان الذي يتم فيه رسم الخطوط الفاصلة بين النظام قيد الدراسة وبقية الكون. في حالة تجزئة التوازن الموضحة في الشكل 2.3 ، تعني كلمة "فتح" أن المنتج ، بمجرد تكوينه في حالة توازن ، يهرب إلى خارج النظام ولا يتفاعل مرة أخرى مع الركيزة المتبقية (وبالتالي ، لم يعد في حالة توازن مع الركيزة). وتعني كلمة "مغلق" أن المادة المتفاعلة والمنتج يظلان على اتصال وثيق ، في نظامهما المغلق (المحدود) أثناء التفاعل بالكامل ، بحيث يكون الخزانان دائمًا في حالة توازن كيميائي ونظيري. بالنسبة للتجزئة الحركية الموضحة في الشكل 2.4 ، تعني كلمة "فتح" أن إمداد الركيزة غير محدود (لا يمكن أن يكون في نظام مغلق). يشير استخدام "مغلق" للتفاعلات الحركية إلى وجود كمية محدودة من المواد المتفاعلة ، والتي تخضع للتحويل الكمي الذي لا رجعة فيه إلى منتج في نظام معزول.

وهكذا ، تم افتراض تطبيق عامل تجزئة ثابت طوال العملية. ومع ذلك ، هذا ليس هو الحال دائما. على سبيل المثال ، عادةً ما يكون هطول الأمطار من كتلة الهواء نتيجة التبريد المستمر لطرد الهواء. يزيد التبريد من عامل التجزئة للانتقال من بخار إلى ماء (أو من بخار إلى جليد). مثال واضح آخر على عامل تجزئة "فعال" متغير هو تبخر الماء من جسم مائي سطحي إلى الغلاف الجوي. كما سيتضح ، فإن التغيير في هذا الموقف هو نتيجة الظروف المتغيرة (في هذه الحالة ، التدرج النظيري) عند حدود الماء والغلاف الجوي ، وليس تغيرًا في عوامل التجزئة نفسها.

يجد الجميع تقريبًا أن معادلات رايلي مربكة بعض الشيء. ومن ثم ، سنقدم الآن بعض الأمثلة على كيفية حساب تجزئة النظام المفتوح والمغلق ، وكيف تؤثر على تكوينات الركيزة المتبقية والنواتج المشكلة حديثًا للتفاعل. نظرًا لأن الكثير من الكتاب يركز على الماء ونظائره ، فسوف نوضح كيفية تطبيق معادلات رايلي باستخدام التجزئة أثناء تغيرات طور الماء (أي أثناء تكثيف البخار وتبخر الماء) كأمثلة. لمزيد من المناقشة الدقيقة للموضوع ، انظر Gat and Gonfiantini (1981) أو Gat (1996) الفصل 2 من Clark and Fritz (1997) يوفر مناقشة واضحة بشكل استثنائي وواضحة بشكل استثنائي لهذا الموضوع الرائع. يمكن أيضًا تصميم العديد من التفاعلات الأخرى (على سبيل المثال ، اختزال الكبريتات ، وأكسدة الميثان ، وتطاير الأمونيا ، والنترة) باستخدام نماذج من نوع رايلي ، تنطبق نفس المبادئ الموضحة هنا على هذه التفاعلات الحركية.

يتم التحكم في التركيب النظيري للرطوبة في الغلاف الجوي البحري من خلال عمليات التفاعل بين الهواء والبحر كما وصفها كريج وجوردون (1965) وميرليفات وجوزل (1979) ، وغيرهم. عندما تتحرك الكتل الهوائية عبر القارات وتفقد الماء بسبب هطول الأمطار ، فإنها تصبح مستنفدة في الأنواع النظيرية الثقيلة (H 2 18 O و HDO) لأن الطور السائل يتم إثرائه في الأنواع النظيرية الثقيلة المتعلقة بمرحلة البخار (انظر الفصل 3). يتم وصف تطور التركيب النظيري بشكل مناسب من خلال عملية رايلي (في هذه الحالة يكون التكثيف) في تلك الحالات التي يكون فيها هطول الأمطار هو العامل الوحيد في ميزانية رطوبة الغلاف الجوي (Dansgaard، 1964 Gat، 1980). سيكون مخطط تجزئة رايلي للتكثيف مشابهًا جدًا للشكل 2.3 ، باستثناء أن جميع المنحنيات ستنحني بدلاً من أن تنحني لأعلى لأن البخار المتبقي والماء المتكثف سيصبحان أخف وزناً تدريجياً بمرور الوقت ، وليس أثقل (كما هو الحال بالنسبة للتبخر).

تسمى قيمة تقاطع y البالغة 10 في معادلة GMWL قيمة الديوتيريوم الزائدة (أو d-over ، أو معلمة d) لهذه المعادلة. المصطلح ينطبق فقط على تقاطع y المحسوب لمجموعات من البيانات النيزكية "المجهزة" على منحدر من 8 قيم d- فائض تتراوح من 0 إلى 20 (انظر الفصل 3). حقيقة أن اعتراض GMWL هو 10 بدلاً من 0 يعني أن GMWL لا يتقاطع مع d 18 O = d D = 0 ، وهو تكوين متوسط ​​مياه المحيط (VSMOW). لا يتقاطع GMWL مع تكوين المحيط ، مصدر معظم بخار الماء الذي ينتج المطر ، بسبب الإثراء الحركي لـ 10 درجات في D للبخار المتبخر من المحيط بمتوسط ​​رطوبة 85٪.

يمكن تعريف عامل تجزئة التوازن أ بين السائل والبخار بطريقتين ، وهما مقلوبان رياضيان: أ = ص ل / ص أو أ = ص ل / ص ف ، حيث ص ل و ص هي النسب النظيرية للسائل والبخار على التوالي. ومع ذلك ، حدد Craig and Gordon (1965) عوامل تجزئة التوازن مثل: a + = 1 / a * ، بحيث تكون a + = R l / R v> 1 و a * = R v / R l & lt1 (وبالتالي ، e +> 0 و e + - e *). أصبح هذا الاستخدام تقليديًا عند مناقشة عمليات الغلاف الجوي. بشكل عام ، يتم استخدام a + (غالبًا ما يتم اختصاره إلى a ببساطة) لمشاكل التكثيف ، بينما يفضل * عادةً لمشاكل التبخر. يمكن حساب قيم a + من Majoube (1971). على الرغم من أن استخدام a + مقابل a * قد يبسط العمليات الحسابية ، إلا أن العديد من الأشخاص يجدون أنه من الأنسب استخدام تعريف عامل التجزئة الذي ينتج عنه> 1 ، على الرغم من التقاليد.

صيغة أخرى شائعة الاستخدام لمعادلة رايلي للأنظمة ذات عامل تجزئة ثابت هي: د

د o - e ln ( ). في هذه الحالة ، يكون لعامل الإثراء في معادلة رايلي علامة سالبة ، بدلاً من الإشارة الموجبة الموضحة سابقًا (المعادلة 2.17) ، بسبب التعاريف المختلفة لـ a (وبالتالي للقيم). اختيار إما * أو قيمته المتبادلة a + لعامل تجزئة التوازن تمليه فقط بالراحة لا توجد طريقة "صحيحة". إذا كان هناك أي ارتباك حول كيفية تعريف مصطلحات التجزئة في بعض الأوراق ، فما عليك سوى تجربة بعض حسابات الاختبار للتأكد من تغيير قيم d للتفاعل في الاتجاه "الصحيح" (على سبيل المثال ، مع التفاعلات البيولوجية ، تصبح المواد المتفاعلة المتبقية أثقل أثناء تكثيف المطر ، يصبح البخار المتبقي أخف ، وما إلى ذلك) إذا لم تتغير قيم d كما هو متوقع ، فهذا يعني على الأرجح أن عامل التجزئة المستخدم هو معكوس ما يجب استخدامه في المعادلة.

يؤدي التبخر من سطح المياه المفتوحة إلى تجزئة نظائر الهيدروجين والأكسجين بطريقة تعتمد على عدد من العوامل البيئية ، وأهمها الرطوبة المحيطة. تم توضيح ذلك لمختلف الرطوبة النسبية في الشكل 2.5. كلما زادت الرطوبة ، قل التغير في d 18 O و d D أثناء التبخر. على سبيل المثال ، عند 95٪ من الرطوبة ، تكون قيم d ثابتة لتبخر آخر 85٪ من الماء. ينتج عن التبخر خطوط ذات منحدرات و lt8 على مخطط d 18 O مقابل d D (أي مخطط البيانات على الخطوط الموجودة أسفل MWL التي تتقاطع مع MWL عند تكوين الماء الأصلي).

يصف التبخر عند نسبة 0٪ من الرطوبة تبخر النظام المفتوح ("مفتوح" من حيث التعريفات الواردة في الشكل 2.3). لاحظ أن المخططين العلويين في الشكل 2.5 عبارة عن مخططات من نوع رايلي ، على غرار الشكل 2.3 ولكن مع تغييرات أكبر في d 18 O أثناء تبخر النظام المفتوح في الشكل 2.5. قيم d على خطوط التجزئة المنحنية في المخططات العلوية ترسم على طول خطوط مستقيمة تقريبًا على الرسم السفلي d 18 O مقابل D. يعكس "طول" خطوط التبخر على مخطط d 18 O مقابل d D مدى قيم المياه المنتجة أثناء التبخر الكلي تحت رطوبة مختلفة. على سبيل المثال ، يشير الخط القصير للرطوبة بنسبة 95٪ إلى أن الماء يتغير قليلاً أثناء عملية التبخر بأكملها.

التبخر في ظل ظروف رطوبة بنسبة 100٪ تقريبًا مكافئ إلى حد ما للتبخر في ظل ظروف النظام المغلق (على سبيل المثال ، التوازن النظيري ممكن) ، وبيانات مؤامرة المياه على طول منحدر 8 (أي على طول MWL). ومع ذلك ، فإن أشكال المنحنيات في المخططات العلوية للرطوبة 95٪ ليست هي نفسها بالنسبة لتجزئة توازن النظام المغلق (الشكل 2.3) بدلاً من ذلك ، فهي تشبه التجزيء الحركي للخزان اللانهائي الموضح في الشكل 2.4. ويرجع ذلك إلى أن المنحنيات في الشكل 2.5 تم حسابها باستخدام كل من تجزئة التوازن لتغيير الطور والتجزئة الحركية (المعادلة 2.20) لنشر بخار الماء عبر واجهة الماء والغلاف الجوي (Gat and Gonfiantini ، 1981). هذا أيضًا هو تفسير تقسيمات النظام المفتوح الأكبر في الشكل 2.5 مقارنة بالشكل 2.3.

النموذج الأكثر فائدة للتجزئة النظيرية أثناء التبخر هو نموذج كريج وجوردون (1965). يظهر بشكل تخطيطي في الشكل 2.6 (أعيد رسمه من Gat ، 1996). يفترض هذا النموذج أن شروط التوازن تنطبق على السطح البيني للهواء / الماء (حيث تكون الرطوبة 100٪) ، وأن هناك تدفقًا رأسيًا ثابتًا ، وأنه لا يوجد تجزئة أثناء النقل المضطرب تمامًا. للحصول على اشتقاق مفصل ، انظر Craig and Gordon (1965) أو Gat (1996).

عند السطح البيني بين الماء والهواء ، يوجد توازن بين تدفقات مائية متعارضة: أحدهما صاعد للأعلى من سطح الماء والآخر لأسفل يتكون من رطوبة الغلاف الجوي. عندما تكون الرطوبة 100٪ (أي الهواء مشبع) ، يمكن أن تصبح التدفقات الفيزيائية لأعلى ولأسفل متكافئة وقد تصل تركيباتها النظيرية إلى التوازن (لاحظ أن التوازن لا يعني أن قيم d للخزانين متطابقة ، فقط لأنهما يختلفان من خلال عامل التخصيب المتوازن) انظر Clark and Fritz (1997) pages 26-27.

التغييرات في الرطوبة والتغيرات المقابلة في التركيب النظيري للبخار عبر الانتقال بين الماء والغلاف الجوي الحر معطاة كخطوط متقطعة في الشكل 2.6. لاحظ أنه عندما يكون h = 1 (في ما يسمى بطبقة "بخار التوازن" بين الواجهة والطبقة الحدودية حيث تكون الرطوبة 100٪) ، يكون البخار في حالة توازن مع السائل (أي dv = d - e *) . عندما يكون الهواء غير مشبع (على سبيل المثال ، h & lt 1) ، يتم إنتاج تدفق تبخيري صافي. الخطوة التي تحدد معدل التبخر هي انتشار بخار الماء عبر الطبقة الحدودية للهواء ، والذي يحدث استجابةً لتدرج الرطوبة بين السطح والهواء المحيط المضطرب تمامًا (الشكل 2.6).

    د E = (أ * د ث - ح د أ - هـ) / [(1- ح) + د / 1000]

1 يناسب البيانات بشكل معقول. انظر الفصلين 5 و 6 لمناقشة التبخر في التربة والنباتات. لاحظ أنه في بعض المقالات ، يتم تعديل قيم e k في المعادلة 2.21 عن طريق الضرب في 1000 (أو يلزم ذلك) لأن قيم e k قد لا تكون في .

عندما يتم إرجاع جزء من الرطوبة المتساقطة إلى الغلاف الجوي عن طريق النتح التبخيري ، فإن قانون رايلي البسيط لم يعد ساريًا. يعتمد تأثير اتجاه الريح لتدفق نضح التبخر على التركيب النظائري لرطوبة الغلاف الجوي وهطول الأمطار على تفاصيل عملية نتح التبخر. يعيد النتح الماء المترسب غير المجزأ أساسًا إلى الغلاف الجوي ، على الرغم من التجزئة المعقدة في ماء الورقة (انظر الفصل 6). وبالتالي ، فإن النتح يلغي تأثير عملية هطول الأمطار. بعبارة أخرى ، يؤدي اختلاط المياه المتدفقة إلى تحريك التركيب النظائري للرطوبة الجوية إلى قيم d الأكثر إيجابية (أي المخصب في الأنواع النظيرية الثقيلة) ، كما لو أن المطر لم يحدث أبدًا. في ظل هذه الظروف ، فإن التغيير في تركيبة النظائر على طول مسار الكتلة الهوائية يقيس فقط صافي خسارة الماء من كتلة الهواء ، بدلاً من أن يكون مقياسًا للتدفق الكلي المتكامل لهطول الأمطار. من ناحية أخرى ، عادةً ما يتم استنفاد البخار المتبخر (d E) في الأنواع النظيرية الثقيلة بالنسبة إلى الماء المنبعث (d T) وهو في الواقع أقرب إلى تكوين الرطوبة الجوية. ومن ثم فإن خلط الرطوبة المستمدة من تبخر مياه البحيرة مرة أخرى إلى خزان الرطوبة في الغلاف الجوي له تأثير أقل إلى حد ما من إضافة الماء المنبعث في استعادة التركيب النظيري للكتلة الهوائية الأصلية.

2.3.5 التجزئة البيولوجية

العمليات البيولوجية بشكل عام أحادية الاتجاه وهي أمثلة ممتازة لتفاعلات النظائر الحركية. تفضل الكائنات الحية الأنواع الأخف من النظائر نظرًا لانخفاض "تكاليف" الطاقة المرتبطة بكسر الروابط في هذه الجزيئات ، مما يؤدي إلى تجزئة كبيرة بين الركيزة (أثقل) والمنتج الوسيط بيولوجيًا (أخف). تختلف التجزئات النظيرية الحركية للعمليات التي تتم بوساطة بيولوجيًا من حيث الحجم ، اعتمادًا على معدلات التفاعل ، وتركيزات المنتجات والمواد المتفاعلة ، والظروف البيئية ، و- في حالة التحولات الأيضية - أنواع الكائن الحي. يؤدي تباين التجزئات إلى صعوبة تفسير البيانات النظيرية ، خاصة بالنسبة للنيتروجين والكبريت. تكون التجزئات مختلفة جدًا عن تفاعل التوازن المكافئ ، وعادة ما تكون أكبر منها. يعتمد حجم التجزئة على مسار التفاعل المستخدم (أي ، وهو خطوة تحديد المعدل) والطاقات النسبية للروابط المقطوعة والمتكونة من التفاعل. بشكل عام ، تُظهر خطوات التفاعل الأبطأ تجزئة نظيرية أكبر من الخطوات الأسرع لأن الكائن الحي لديه وقت ليكون أكثر انتقائية (أي أن الكائن الحي يحفظ الطاقة الداخلية عن طريق كسر روابط نظائر الضوء بشكل تفضيلي).

يجب على قراء هذا الكتاب والمقالات التي تتناول تجزئة النظائر توخي الحذر: يتم تعريف عوامل التجزئة والإثراء بطرق مختلفة من قبل مؤلفين مختلفين ، وخاصة في الأدبيات البيولوجية. يتم وصف عوامل التجزئة الحركية بشكل نموذجي من حيث عوامل الإثراء أو التمييز ، باستخدام رموز مثل b أو e أو D. على وجه الخصوص ، يتم تعريف عامل الإثراء في بعض الأحيان بشكل معكوس (على سبيل المثال ، e sp) ، ويحدد بعض الباحثين "تمييز" العامل "D s / p = (as / p -1) 1000 ، حيث تشير s / p إلى" الركيزة المتعلقة بالمنتجات. " تتضمن المناقشات الجيدة للتجزئة المرتبطة بالعمليات البيولوجية H & uumlbner (1986) و Fogel and Cifuentes (1993).

2.4 جمع العينات وتحليلها وضمان الجودة

غالبًا ما يلزم بذل جهد ميداني كبير لجمع عينة تمثل بشكل كافٍ متوسط ​​تكوين الوسيط الذي يتم أخذ عينات منه ، في وقت أخذ العينات. بالنسبة للتيارات الصغيرة ، يمكن أن يكون ذلك بسيطًا مثل تجميع المياه أثناء تدفقها فوق السد أو حافة الصخور. بالنسبة للأنهار الكبيرة والبحيرات والتربة والكائنات الحية ، قد تكون هناك حاجة لمركبات متكاملة. التغطية الكافية لهذا الموضوع الحيوي هي خارج نطاق هذا الفصل. يُنصح القارئ بإلقاء نظرة على المراجع الواردة في الفصول اللاحقة ، أو استشارة الزملاء الذين يجمعون هذه العينات بشكل روتيني. تشمل مصادر المعلومات المفيدة الأخرى: Clark and Fritz (1997 ، الفصل 10: "الأساليب الميدانية لأخذ العينات") ، Mazor (1997) ، وصفحات الويب الخاصة بمختبرات النظائر المختلفة.

يوجد أدناه مجموعة من الإرشادات والاقتراحات المتعلقة بجمع العينات وتعبئتها وحفظها لتحليل النظائر البيئية الأكثر استخدامًا. يجب على القارئ أن يضع في اعتباره أن الأساليب المثلى غالبًا ما تعتمد على المختبر المختار للتحليل وطرق التحضير المفضلة لديهم ، ويجب دائمًا الاستفسار قبل التخطيط للحملة الميدانية. يُنصح دائمًا بجمع النسخ المكررة - في حالة كسر العينات أثناء النقل واستخدامها كتحقق من استنساخ المختبر (على سبيل المثال ، إرسال 5-10٪ منها كـ "نسخ مكررة" ، بأرقام معرف عينات مختلفة عن مكررة).

د 18 س / 2 ساعة من الماء
من السهل جمع المياه الطبيعية. يتم وضع عينة الماء في زجاجة جافة ونظيفة ، والتي تملأ بالكامل تقريبًا إلى الأعلى ، ومغطاة بإحكام. الهدف الرئيسي هو حماية العينة من التبخر والتبخر مع بخار الماء في الغلاف الجوي. لا ينبغي تصفية العينات إلا إذا كانت تحتوي على زيت (على سبيل المثال ، زيت معدني مضاف إلى مجمعات المطر للمساعدة في منع التبخر) أو تحتوي على جسيمات وفيرة. لا داعي لشطف الزجاجة والتبريد وإضافة المواد الحافظة. لا يؤثر التجميد على تكوين الماء ولكن يمكن أن يكسر الزجاجات أثناء النقل لهذا السبب ، يفضل العديد من المستخدمين الزجاجات البلاستيكية. تشير تجربتنا إلى أن الأغطية التي تحتوي على إدخالات بلاستيكية مخروطية الشكل (على سبيل المثال ، أغطية "بولي الختم") هي الأكثر موثوقية ، تليها أغطية مبطنة بالتفلون. للتخزين الممتد ، يُنصح باستخدام الزجاجات وإزالة الشمع للأغطية. حجم العينة يعتمد على المختبر أحجام نموذجية تتراوح من 10-60 مل. في بعض المعامل ، يمكن تحليل عينات صغيرة مثل عدد قليل و microL.

عادة ما يتم تحديد كل من نسب نظائر الهيدروجين والأكسجين على نفس زجاجة الماء. من الحكمة جمع العديد من العينات التي لا يستطيع المرء تحليلها في الوقت الحالي ، تتمتع العينات بعمر افتراضي طويل إذا تم تعبئتها بشكل صحيح ، ويمكن أرشفتها لتحليلها في المستقبل. يجب على المرء التأكد من أن المختبر الذي تم اختياره لتحليل العينات يقوم بتطبيع قيمها وفقًا لإرشادات الوكالة الدولية للطاقة الذرية (كوبلين ، 1994) ، ويبلغ عن القيم المتعلقة بـ VSMOW. إذا كانت العينات مالحة ، يجب على المرء التحقق مما إذا كان المختبر يعد العينات بطريقة الموازنة أو التحويل الكمي (انظر أدناه). قد تتطلب المياه التي تحتوي على نسبة عالية من المواد العضوية المتطايرة التقطير.

لأغراض عديدة ، لا سيما عمليات الفصل الهيدروغرافي (انظر الفصل 1) ، فإن تحليل جميع العينات لكل من نظائر الأكسجين والهيدروجين غير ضروري بسبب معامل الارتباط العالي بين هذه النظائر (انظر الفصل 3). البديل المعقول هو تحليل نسبة مئوية أصغر لكلا النظيرين ، إما مبدئيًا أو بعد تقييم البيانات الخاصة بالنظير الأول. بالنسبة لدراسات الهيدروغراف في البيئات القاحلة أو الدراسات التي تتضمن تبخير الماء في البرك أو الأراضي الرطبة ، فمن المستحسن تحليل عينات لكلا النظيرين. نظرًا لأن معظم المعامل تواجه مشكلات أقل في تحليل المياه لـ d 18 O مقارنة بـ d 2 H ، إذا لم يتم تحليل العينات في نسختين وسيتم تحليلها فقط لنظير واحد ، فمن الأفضل عادةً اختيار d 18 O.

يصعب جمع العينات الصلبة والبخارية لـ d 18 O و d 2 H. يمكن جمع عينات الثلج والجليد في أكياس أو برطمانات محكمة الغلق ، تذوب طوال الليل ، ثم تُسكب في زجاجات. يجب جمع عينات التربة والنباتات في حاويات محكمة الغلق تتناسب مع حجم العينة.تشمل الإجراءات الشائعة تشميع عينات التربة ، أو استخدام أكياس مختومة بالحرارة ، أو إدخالها في قوارير صغيرة بحجم لب الأشجار. يتم جمع عينات بخار الماء عن طريق ضخ البخار من خلال مصيدة باردة حيث يتم الاحتفاظ بالبخار كميًا. لمزيد من المعلومات حول إجراءات أخذ العينات المختلفة ، راجع الفصول 3-6.

التريتيوم
تعتمد كمية المياه اللازمة لتحليل التريتيوم على عمر الماء (تحتوي المياه القديمة على القليل من التريتيوم) وحساسية التحليل المطلوب. تتراوح أحجام العينات النموذجية من 10 مل إلى 1 لتر. يتم جمع العينات في عبوات زجاجية غير مغسولة أو زجاجات بولي إيثيلين عالية الكثافة ولا يجب ترشيحها. يجب بعد ذلك إغلاق الزجاجات وإعادتها إلى المختبر لتحليلها. يجب تدوين تاريخ التجميع على الزجاجة للحصول على تحديد دقيق لتركيز التريتيوم في وقت التجميع.

د 13 درجة مئوية و 14 درجة مئوية من الكربون غير العضوي المذاب
هناك طريقتان رئيسيتان في الاستخدام الشائع لجمع DIC (الكربون غير العضوي المذاب) لقياس 13 درجة مئوية أو 14 درجة مئوية ، اعتمادًا على أي من طريقتين للتحضير المختبري يتم استخدامها: نزع الغاز أو ترسيب الكربونات. تضمن كلتا طريقتي التحضير الإزالة الكمية لمدينة دبي للإنترنت وتوفر قيمة d 13 C أو 14 C لإجمالي مدينة دبي للإنترنت. يتطلب تحليل d 13 C عمومًا 10-100 ومايكرو مولار من الكربون. يتطلب تحليل 14 درجة مئوية باستخدام طرق حساب بيتا التقليدية ما يصل إلى 1 جم من تحليل C بواسطة AMS عادة ما يتطلب حوالي 1 مجم من C.

بالنسبة للمختبرات التي تستخدم طريقة نزع الغازات لاستخراج ثاني أكسيد الكربون ، يتم عادةً جمع العينات في قوارير زجاجية مغسولة بالعينات مع أغطية حاجزة ، أو في أوعية بها محابس أو صمامات. يجب ترشيح مثل هذه العينات لإزالة الكربون الجسيم ، وربما تسمم (باستخدام كلوريد الزئبق أو الحمض أو المبيدات الحيوية العضوية) لمنع النشاط البيولوجي ، يجب أن تبقى الزجاجات مبردة حتى يتم تحليلها لمنع التجزئة البيولوجية.

التقنية البديلة هي طريقة الترسيب. يجب ترشيح العينات مسبقًا في حالة وجود مادة جسيمات كربونية معلقة في الماء. يتم ترسيب الكربونات عن طريق إضافة محلول أساسي قوي من السترونشيوم أو كلوريد الباريوم (جليسون وآخرون ، 1969) إلى العينة في زجاجة مغسولة بالعينات. تزيد القاعدة الأس الهيدروجيني إلى 10-11 حيث يكون كل الكربون غير العضوي هو CO3-2 ، ويترسب Ba أو Sr كل DIC في الماء. يجب حماية هذا الكاشف والعينات المعالجة من التلوث بغاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. الزجاجات هي الأفضل لأن ثاني أكسيد الكربون ينتشر عبر معظم الزجاجات البلاستيكية. يجب أن تحتوي الزجاجات على أغطية بولي مانعة للتسرب مثبتة بإحكام. يجب تغليف الزجاجات بشكل فردي بورق فقاعات وشحنها في صناديق معزولة أو مبردات مملوءة "بالفول السوداني" الصناعي لضمان عدم الكسر.

د 15 نيوتن من النيتروجين غير العضوي المذاب
هناك عدد من طرق التحضير المختلفة شائعة الاستخدام للاستفسار عن طريقة الجمع المفضلة من قبل المختبر التعاقدي لطريقة التحضير الخاصة بهم. على وجه الخصوص ، من المهم التحقق من أن المختبر معتاد على تحليل عينات الوفرة الطبيعية. غالبًا ما تستخدم المختبرات التي تحلل العينات الزراعية في المقام الأول طرقًا مناسبة للعينات المسمى (15 N-spiked) ولكن لديها دقة تحليلية غير مقبولة لدراسات الوفرة الطبيعية. تحقق من أن المختبر لديه سجل جيد للعينات الطبيعية. يمكن تحليل عينات لـ d 15 N من الأمونيوم و / أو تحليل النترات للنيتروجين الكلي ربما لا قيمة له. بشكل عام ، يتم ترشيح العينات من خلال مرشحات 0.1 ميكرون ، وتوضع في قوارير زجاجية مغسولة ، وتسمم (بحمض الكبريتيك ، كلوريد الزئبق ، أو الكلوروفورم) ، مبردة أو مجمدة ، ملفوفة في مادة تغليف عازلة ، وإرسالها إلى المختبر في صناديق ثلجية. تتراوح متطلبات حجم العينة بين 10-100 ومايكرو مول من N. يمكن أيضًا تحليل عينات النترات لـ d 18 O في عدد قليل من المختبرات.

تتمثل إحدى الطرق البديلة في تركيز NO 3 أو NH 4 على راتنجات التبادل الأيوني أو الكاتيوني (Garten ، 1992 Silva et al. ، Chang et al. ، قيد المراجعة). جمع النترات على راتنجات تبادل الأنيون يلغي الحاجة إلى إرسال كميات كبيرة من الماء المبرد إلى المختبر ، ويلغي الحاجة إلى المواد الحافظة الخطرة ، ويسهل أرشفة العينات ، ويسمح بتحليل المياه منخفضة النترات للغاية.

د 34 ق من الكبريتات المذابة
اعتمادًا على تركيز الكبريتات ، يتم ترشيح العينات مباشرة في قوارير زجاجية أو يتم تركيزها مسبقًا أولاً على راتنج التبادل. يجب جمع الكبريتات من المياه المخففة على راتنج التبادل الأيوني في الحقل إذا كان يُعتقد أن تركيز الكبريتات في الماء أقل من 20 مجم / لتر. على غرار طرق جمع NO 3 أو NH 4 على راتنجات التبادل الأيوني ، فإن جمع الكبريتات على راتنجات التبادل يتجنب مشاكل الترسيب غير المكتمل لـ BaSO 4 في العينات المخففة ، ويلغي الحاجة إلى إرسال كميات كبيرة من الماء المبرد إلى المختبر ، ويقضي على الحاجة إلى مواد حافظة خطرة ، مما يسهل أرشفة العينات ، ويسمح بتحليل المياه منخفضة الكبريتات للغاية.

يتم تحميض عينات المياه منخفضة الكبريتات أولاً قبل المرور عبر أعمدة التبادل الأيوني. يتم بعد ذلك استخلاص الكبريتات من الراتينج باستخدام حجم صغير نسبيًا من محلول كلوريد الباريوم المركز. الحجم النهائي للمحلول أقل بكثير من حجم عينة الماء الأصلية وبالتالي تتركز الكبريتات من العينة في هذا الحجم الأصغر كثيرًا (يلزم عمومًا 10-500 وميكرو مولار من SO 4). يتم إعادة ترطيب المحلول وترسيب الكبريتات بإضافة BaCl 2. ثم يتم جمع BaSO 4 بالترشيح وتحليل لـ d 34 S. يمكن أيضًا تحليل الكبريتات لـ d 18 O في بعض المعامل. يمكن أيضًا تحليل كميات كبيرة من الكبريتات لمدة 35 ثانية ، وهو نظير مشع طبيعي بعمر نصف يبلغ 87 يومًا ، باستخدام حساب التلألؤ السائل.

نظائر C و H و N و O و S للعينات الصلبة
يمكن أيضًا تحليل العينات الصلبة العضوية وغير العضوية (مثل الحيوانات والنباتات والمعادن والتربة) والسوائل (مثل الزيوت) لتكوينها النظيري. يمكن التقاط الجسيمات الموجودة في الماء بواسطة مرشحات مصنوعة من الألياف الزجاجية ومعالجتها بطريقة مشابهة للطرق المستخدمة في العينات الصلبة الأخرى. تتشابه متطلبات العينات الصلبة مع متطلبات العينات المذابة لنفس العنصر (على سبيل المثال ، 1-100 وميكرو مولار من عنصر الفائدة). يجب أن تبقى العينات القابلة للتغير بيولوجيًا (مثل الأوراق والأسماك والسماد) باردة حتى تتم معالجتها. يعتبر التجفيف بالتجميد وسيلة مثالية للحفاظ على العينات ، حيث يؤدي تجفيف الهواء إلى فقد المواد العضوية المتطايرة وربما بعض التجزئة النظيرية.

النظائر الليثوجينية (المعادن وشبه الفلزات)
حجم العينة يعتمد على الأنواع التي يجري تحليلها. يتطلب تحليل Sr أو Li أو B ما لا يقل عن 1 & microg Pb و Nd يتطلب حدًا أدنى من 0.1 & microg. العينات المائية يجب ترشيحها 0.1 ميكرون هي الأفضل لمرشحات Nd و Pb ، و 0.45 ميكرون هي الأفضل لمرشحات Sr و Li و B (Thomas D.Polen ، اتصالات 1997). يتم جمع العينات المائية في عبوات بلاستيكية مغسولة وتحمضها لدرجة الحموضة

2 باستخدام Ultrex HNO 3. يجب إرسال الفراغات إلى المختبر مع عيناتك ، بما في ذلك الماء المقطر الثلاثي المستخدم في التصفية والماء النظيف الذي يمر عبر معدات المعالجة. يجب أن يكون المرء حذرًا بشأن التلوث المحتمل بشحوم الليثيوم والصابون أو المنظفات البورات وكواشف كلوريد السترونشيوم.

2.4.2 طرق وأدوات التحليل

يتم تحليل النظائر المستقرة إما على مقياس الطيف الكتلي للغاز أو المصدر الصلب ، اعتمادًا على كل من كتل النظائر ووجود مركبات غازية مناسبة مستقرة في درجة حرارة الغرفة. يمكن تحليل النظائر المشعة عن طريق حساب عدد التفككات لكل وحدة زمنية على عدادات أشعة جاما أو جسيمات بيتا ، أو تحليلها على أجهزة قياس الطيف الكتلي.

مطياف كتلة مصدر الغاز
يتم استخدام العديد من الطرق لإعداد الغازات لمحتوى نظائر C و H و N و O و S (C H NOS) ، ولكن في جميع الحالات ، تكون الخطوات الأساسية هي نفسها. يتضمن تحضير العينة التحويل الكمي أو إنتاج الغاز النقي من المركب المعني فقط ، أو التنقية المبردة أو الكروماتوجرافي للغاز ، وإدخال الغاز في مطياف الكتلة ، والتأين لإنتاج أنواع موجبة الشحنة ، وتشتت كتل مختلفة في مجال مغناطيسي ، تأثير الكتل المختلفة على أكواب مجمعة مختلفة ، وقياس نسب النظائر في الغاز المتأين. بشكل عام ، يتم تحليل الهيدروجين على أنه H 2 ، ويتم تحليل كل من الأكسجين والكربون على أنه ثاني أكسيد الكربون ، ويتم تحليل النيتروجين على أنه N 2 ، وعادة ما يتم تحليل الكبريت على أنه SO 2. تعتبر الدقة التحليلية صغيرة بالنسبة إلى نطاقات القيم التي تحدث في أنظمة الأرض الطبيعية. تتراوح الدقة التحليلية النموذجية للانحراف المعياري لنظائر الأكسجين والكربون والنيتروجين والكبريت من 0.05 إلى 0.2 درجة ، تكون الدقة النموذجية لنظائر الهيدروجين أقل فقراً ، من 0.2 إلى 1.0 درجة ، بسبب انخفاض نسبة 2 H: 1 H.

على الرغم من أن الموضوع نادرًا ما يتم مناقشته ، إلا أن معاملات النشاط للأنواع النظيرية لا تساوي جميعها 1 (أي أن تركيز النظائر للعينة لا يساوي بالضرورة نشاط النظائر). يمكن أن يكون معامل النشاط لنظير معين موجبًا أو سالبًا ، اعتمادًا على نوع المادة المذابة والمولالية ودرجة الحرارة. يمكن أن تتأثر التركيبات النظيرية للمياه والمذابات بشكل كبير بتركيز الأملاح وأنواعها لأن التركيبات النظيرية للمياه في مجالات ترطيب الأملاح وفي المناطق البعيدة عن الأملاح مختلفة (انظر Horita (1989) للحصول على مناقشة جيدة حول هذا الموضوع). بشكل عام ، الأوقات الوحيدة التي يكون فيها من المهم النظر في أنشطة النظائر هي الأس الهيدروجيني المنخفض ، وثاني أكسيد الكبريت المرتفع ، و / أو المحاليل الملحية عالية المغنيسيوم لأن قيم النشاط والتركيز d لهذه المياه (d a و d c) تختلف اختلافًا كبيرًا. على سبيل المثال ، يكون الفرق (d D a - d D c) بين قيم النشاط والتركيز d لمحاليل حمض الكبريتيك في مخلفات المناجم حوالي +16 درجة لمحلول 2 مول. بالنسبة للمياه المالحة العادية (مثل مياه البحر) ، فإن معاملات النشاط لـ d 18 O و d 2 H تساوي أساسًا 1.

أبلغت جميع المختبرات تقريبًا عن أنشطة 18 O (وليس التركيزات) لعينات المياه. يمكن الإبلاغ عن d 2 H للمياه إما في قيم التركيز أو النشاط d ، اعتمادًا على الطريقة المستخدمة في تحضير العينات للتحليل. الطرق التي تتضمن تحويلًا كميًا لـ H في H 2 O إلى H 2 ، تنتج قيم d c. الطرق التي توازن H 2 O مع H 2 (أو H 2 O مع CO 2) تنتج قيم d a. يعني "التوازن" في هذه الحالة السماح للسائل والغاز بالوصول إلى التوازن النظيري عند درجة حرارة ثابتة ومعروفة. لتجنب الارتباك ، يجب على المختبرات وأوراق البحث دائمًا الإبلاغ عن الطريقة المستخدمة.

معظم مطياف الكتلة التقليدية CHNOS عبارة عن آلات ذات مدخل مزدوج تحتوي على عينة ومدخل قياسي أو منفذ إدخال. في مثل هذه الأدوات ، يتم قياس نسب النظائر ذات الأهمية (على سبيل المثال ، 13 درجة مئوية / 12 درجة مئوية) في عينة الغاز بالنسبة إلى نفس النسب في معيار غازي يتم تحليله بشكل أو بآخر. عادة ما تحتوي هذه الأدوات إما على "مجمعات مزدوجة" أو "مجمعات ثلاثية" ، مما يعني أنه يمكن قياس كتلتين أو ثلاث كتل من الغاز المتأين في وقت واحد. على سبيل المثال ، يحتوي N 2 على ثلاثة أنواع: 14 N 14 N و 14 N 15 N و 15 N 15 N (أي كتل 28 و 29 و 30). مقياس الطيف الكتلي الثلاثي التجميع سيقيس وفرة كل هذه الأنواع بالنسبة إلى الوفرة في المعيار الغازي الذي يتم إدخاله من خلال المدخل "القياسي". سيقيس مطياف الكتلة مزدوج التجميع كتل 28 و 29 فقط (في الواقع يتم قياس m / e لأن الجزيئات متأينة ، بشحنات موجبة).

نوع آخر من مطياف الكتلة النظيرية المستقرة هو ما يسمى بمطياف كتلة التدفق المستمر. قد تفتقر هذه الأدوات إلى مدخل مزدوج ، وعادة ما يكون لها مجمعات ثلاثية. تمثل هذه الأدوات "تزاوجًا" بين اللوني وقياس الطيف الكتلي ، وتشبه مطياف الكتلة العضوية التقليدية حيث يتم إدخال عينات الغاز في مطياف الكتلة داخل تيار غاز الهيليوم ، عادةً من وحدة تحضير عينة مؤتمتة (على سبيل المثال ، عنصر محلل أو كروماتوجراف غاز). بشكل عام ، تكون الدقة التحليلية المتاحة لمقاييس طيف كتلة التدفق المستمر أقل قليلاً من الطرق التقليدية ، ولكن هذا قد يتغير في السنوات القليلة القادمة. الميزة الرئيسية لطريقة التدفق المستمر هي أنه من السهل جدًا دمج هذه الأدوات مع أنظمة إعداد مختلفة عبر الإنترنت ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة القوى العاملة لتحليلات النظائر. للحصول على مناقشة شاملة بشكل استثنائي لقياس الطيف الكتلي للنظائر المستقرة الحديثة ، انظر Barrie and Prosser (1996).

مطياف الكتلة ذات المصدر الصلب
يتم تحضير العناصر التي تم تحليلها على أنها مواد صلبة (على سبيل المثال ، السترونتيوم ، والليثيوم ، والبورون ، والرصاص ، وما إلى ذلك) عن طريق ترسيب المركبات المختارة على خيوط الأسلاك ، وتحميل الخيوط في مصدر مطياف كتلة التأين الحراري (مصدر صلب) ، وتأيين المركبات إلى إنتاج غازات (مشحونة سالبة أو موجبة) ، وقياس وفرة النظائر المختارة في الغاز على مجمعات متعددة. تم الإبلاغ عن بعض المواد الصلبة ذات الكتلة الخفيفة (مثل البورون والليثيوم) في وحدات d القياسية. بشكل عام ، يتم الإبلاغ عن العناصر الأثقل الكتلة من حيث الوفرة النسبية لنظورين (على سبيل المثال ، 207 Pb / 206 Pb) ومع ذلك ، يتم الإبلاغ عن وفرة نظائر السترونشيوم (87 Sr / 86 Sr) أحيانًا في تدوين d بالنسبة لبعض المعايير التعسفية . لقد ثبت أن مقياس الطيف الكتلي ذو المصدر الصلب يعطي تحليلاً أكثر دقة لنظائر معينة من الراديوم واليورانيوم التي تم قياسها تقليديًا بواسطة طرق حساب الانحلال.

عدادات وميض الغاز والسائل
يمكن قياس النظائر المشعة بعدد من الطرق ، اعتمادًا على الكتلة والوفرة ونوع الاضمحلال المتضمن والدقة المرغوبة والمال المتاح. يمكن بالطبع تحليل بعضها باستخدام مطياف كتلة المصدر الصلب (على سبيل المثال ، نظائر سلسلة اليورانيوم). خلافًا لذلك ، يتم تحليل النظائر المشعة على عدادات وميض سائل (LSC) وعدادات تناسب الغاز (مع كل من الإثراء) ، وعلى مقياس طيف كتلة المسرع (انظر أدناه). يعد التلألؤ السائل والأنظمة التناسبية للغاز من أكثر الأنظمة المستخدمة شيوعًا للنظائر الخفيفة ذات اضمحلال بيتا. يتطلب العد التناسبي للغاز عادةً أن يشكل النظير الذي يتم تحليله غازًا مناسبًا للعد ، بحيث لا تكون العناصر ذات القدرات الكهربية العالية ، مثل الكلور والكبريت ، مناسبة لهذا النوع من التحليل. تم تحليل النظيرين الأكثر استخدامًا في الهيدرولوجيا ، التريتيوم و 14 درجة مئوية ، بشكل عام باستخدام التلألؤ السائل أو العد التناسبي للغاز. يتم تحليل الرادون إما عن طريق غاز جيجر أو العد التناسبي في الحقل ، أو يتم إرساله إلى المختبر لعد التلألؤ السائل ، اعتمادًا على الدقة المطلوبة. بالنسبة للنظائر التي تتحلل بسبب انبعاث جاما وألفا ، وانبعاثات بيتا حيث لا يمكن اختزال النظير المستهدف إلى شكل كيميائي مناسب لحساب LCS أو حساب الغاز ، أو استخدام عد التلألؤ الصلب باستخدام البلورات ، أو أنظمة أكثر تقدمًا مثل انجراف الليثيوم والجرمانيوم عدادات ، تم استخدامها.

مطياف الكتلة المسرع
مطياف كتلة المسرعات (AMS) ، التي تسمى أحيانًا المسرعات "الترادفية" ، هي مقاييس طيف الكتلة كبيرة جدًا (> 10 أمتار) باهظة الثمن وعالية الدقة (مع الغاز أو المصادر الصلبة) التي تسرع الجسيمات المشحونة من خلال عالية جدًا (ميجا فولت) ) المجالات الكهربائية لفصل الأيزوبار والنظائر المختلفة (الشكل 2.1). يمكن لهذه الأدوات تحليل بعض الأنواع المشعة بسرعة أكبر ، وبدقة أكبر ، و / أو بأحجام عينات أصغر بكثير (على سبيل المثال ، عينات مجم بدلاً من جرامات) من طرق العد السابقة. على سبيل المثال ، يمكن الآن تحليل التريتيوم باستخدام طريقة نمو الهيليوم ، على الرغم من أنه يتطلب في كثير من الأحيان تأخيرات طويلة (6 أشهر) لتجميع ما يكفي 3 He للحصول على تحليل دقيق. أصبحت AMS هي الطريقة المفضلة لبعض النظائر ، مثل 14 درجة مئوية ، 36 كلوريد ، و 129 أنا. وستعطي دقة قريبة من تلك التي تم الحصول عليها بالطرق التقليدية ، ويمكن تحليل العينات بسرعة أكبر بكثير بواسطة مقياس الدعم الكلي.

2.4.3 ضمان جودة المختبرات المتعاقد عليها

كيف يمكن للمرء أن يجد معمل تعاقد جيد لتحليل العينات؟ تشمل الاختيارات المعامل الجامعية والشركات التجارية الخاصة والمختبرات الحكومية التي يمكنها قبول العمل التعاقدي (أو التعاوني). يجب أن يكون معيار الاختيار الأساسي هو أن المختبر يقوم بإجراء النوع المطلوب من التحليل لعدة سنوات على أساس روتيني (على سبيل المثال ، يمكن تحليل العينات المقدمة إلى بعض مختبرات الجامعة من خلال مساعدة مؤقتة للطلاب ، الذين لا يقومون بإجراء التحليلات على أساس روتيني ). استفسر من الزملاء عن السجل طويل المدى للمختبر. تحتوي المختبرات الجيدة على برامج فعالة لضمان الجودة / مراقبة الجودة ، مع الوثائق المتاحة بشكل عام عند الطلب. في رأينا ، يجب أن يحلل المختبر حوالي 5-15٪ من العينات في نسختين ، كتحقق داخلي من أن "كل شيء" يعمل بشكل صحيح. علاوة على ذلك ، من المحتمل أن تنتج المختبرات ذات أنظمة التحضير الآلي وأنظمة إدارة البيانات التي يتحكم فيها الكمبيوتر بيانات أفضل وأكثر موثوقية على المدى الطويل من المعامل حيث يتم كل شيء يدويًا. يُنبه القارئ إلى توخي الحذر من المساومات (المحذوفات) عادةً ما يكلف العمل الجيد أكثر من متوسط ​​السعر. علاوة على ذلك ، فإن التكلفة المحتملة طويلة الأجل للتفسيرات الخاطئة ، بسبب البيانات السيئة ، يجب أن تؤخذ في الاعتبار في التكلفة الإجمالية للتحليلات عند تقييم الخيارات المختبرية.

يجب على المرء أيضًا أن يفكر في جمع النسخ المكررة في حالة كسر زجاجة العينة أو فقدها أثناء النقل. تقوم معظم المعامل بتحليل كل عينة بشكل روتيني مرة واحدة فقط إذا كانت البيانات عالية الدقة مطلوبة ، إما أن تطلب تحليلًا مكررًا لكل عينة (وثلاث نسخ إذا كانت التكرارات لا تتفق ضمن نطاق محدد مسبقًا) أو ترسل نسخًا مكررة "عمياء". يُنصح بإرسال 10-15٪ مكررة عمياء على أي حال. إذا بدت أي نتيجة مشكوك فيها ، فاطلب تكرارها على الفور. تحتفظ معظم المختبرات بالعينات التي تم تحليلها لمدة شهرين قبل التخلص منها وستقوم بإعادة تحليل أعداد متواضعة من العينات دون أي تكلفة إضافية.

بالنسبة لعينات المياه ، قم على الفور برسم البيانات على القيم المتطرفة للمخطط D مقابل d 18 O ، خاصة تلك التي ترسم بشكل ملحوظ فوق GMWL (الخط المحدد بواسطة "d D = 8 d 18 O + 10" - انظر الشكل 2.7) ، يجب أن ينظر إليها بعين الشك وربما إعادة تحليلها. تنتج القليل من العمليات الطبيعية المياه التي تتخطى بشكل كبير استثناءات GMWL بما في ذلك توليد الميثان في مدافن النفايات (Baedecker and Back ، 1979) والتحلل المائي للسيليكات.

2.5 تطبيقات متتبعات النظائر في هيدرولوجيا المستجمعات

  • مقتطفات من الماء نفسه: الهيدرولوجيا النظيرية للماء
  • اقتفاء أثر المواد المذابة في الماء: الكيمياء الجيولوجية الحيوية النظائر المذابة.

تقدم الفصول من 10 إلى 22 لمحة عامة عن بعض التطبيقات العديدة للنظائر البيئية في الكيمياء الجيولوجية المائية.تركز معظم الفصول على نوع معين من مستجمعات المياه وكيف يمكن استخدام النظائر لفهم عمل المستجمع ، أو على أنواع محددة من استخدامات النظائر في مستجمعات المياه (على سبيل المثال ، لتحديد مسارات التدفق أو الحصول على معلومات مناخية). للحصول على معلومات عامة عن استخدامات نظائر عنصر معين ، خاصة للتطبيقات "خارج مستجمعات المياه" ، تشمل مصادر معلومات الويب المفيدة ما يلي:

http://www.iaea.or.at/ الموقع الإلكتروني للوكالة الدولية للطاقة الذرية (الوكالة الدولية للطاقة الذرية). تحتوي هذه الصفحة على معلومات عن منشورات الوكالة ، وكيفية طلب المواد المرجعية للنظائر ، وكيفية الوصول إلى قواعد بيانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية.

http://www.nist.gov/ يوفر موقع الويب الخاص بالمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (المعروف سابقًا باسم NBS) معلومات حول طلب المواد المرجعية للنظائر.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/ موقع الويب الخاص بـ USGS Isotope Interest Group (IsoIG). تحتوي هذه الصفحة على مجموعة متنوعة من الارتباطات إلى الموارد المتعلقة بالنظائر ، بما في ذلك ملاحظات قصيرة حول أساسيات النظائر وتطبيقاتها ، ومعلومات حول المعايير المرجعية للنظائر ، وروابط إلى العديد من محركات البحث للعثور على المنشورات ، ورابط إلى موقع الويب الخاص بمجموعة مناقشة البريد الإلكتروني ISOGEOCHEM . يركز خادم قائمة ISOGEOCHEM بشكل أساسي على مجتمع النظائر المستقرة ، ويحتوي على روابط للعديد من مختبرات النظائر ، ويحتوي على أرشيف لرسائل البريد الإلكتروني السابقة مع محرك بحث كامل. إذا تم تغيير أي من عناوين URL الأخرى المدرجة هنا ، فتحقق من موقع الويب IsoIG للحصول على ارتباطات محدثة.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/period/ يحتوي موقع الويب هذا على جدول دوري "قابل للنقر" يوفر معلومات حول العديد من النظائر ، بما في ذلك قوائم المنشورات الجديرة بالملاحظة وأوصاف استخدامات هذه النظائر في علم المياه ، الجيولوجيا وعلم الأحياء يحتوي على محرك بحث.

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/isopubs/ موقع الويب لهذا الكتاب.

تهدف الأقسام أدناه إلى أن تكون مقدمة موجزة للاستخدامات العديدة للنظائر البيئية في هيدرولوجيا مستجمعات المياه ، للقراء الذين قد لا يكونون على دراية بما تقدمه النظائر المختلفة ، ومقدمة لمناقشات أكثر شمولاً في الفصول التالية.

2.5.1 الهيدرولوجيا النظيرية للماء

تتناول الهيدرولوجيا النظيرية تطبيق قياسات النظائر التي تشكل جزيئات الماء: نظائر الأكسجين (الأكسجين -16 والأكسجين -17 والأكسجين -18) ونظائر الهيدروجين (البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم). هذه النظائر هي أدوات اقتفاء مثالية لمصادر المياه وحركتها لأنها مكونات متكاملة لجزيئات الماء ، وليست شيئًا مذابًا في الماء مثل الكاشفات الأخرى المستخدمة بشكل شائع في الهيدرولوجيا (على سبيل المثال ، الأنواع الذائبة مثل الكلوريد). يمكن أن تكون نظائر الماء في بعض الأحيان متتبعات مفيدة لمسارات تدفق المياه ، خاصة في أنظمة المياه الجوفية حيث يشكل مصدر المياه ذو التركيب النظيري المميز "عمودًا" في باطن الأرض (انظر الفصل 18 أو Bullen et al. ، 1996).

في معظم البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة ، تتصرف نظائر الهيدروجين والأكسجين المستقرة بشكل متحفظ بمعنى أنها أثناء تحركها عبر مستجمعات المياه ، فإن أي تفاعلات مع الأكسجين والهيدروجين في المواد العضوية والجيولوجية في المستجمعات سيكون لها تأثير ضئيل على نسب النظائر في جزيء الماء. على الرغم من أن التريتيوم يُظهر أيضًا تفاعلًا ضئيلًا مع المواد الجيولوجية ، إلا أنه يتغير في التركيز بمرور الوقت لأنه مشع ويتحلل مع عمر نصف يبلغ حوالي 12.4 سنة. العمليات الرئيسية التي تملي تركيبات الأكسجين والهيدروجين النظيرية للمياه في مستجمعات المياه هي: (1) تغيرات الطور التي تؤثر على الماء فوق أو بالقرب من سطح الأرض (التبخر ، التكثيف ، الذوبان) ، و (2) الخلط البسيط عند أو أسفل سطح الأرض.

يمكن استخدام نظائر الأكسجين والهيدروجين المستقرة لتحديد مساهمات المياه القديمة والجديدة في تيار (ومكونات أخرى من مستجمعات المياه) خلال فترات الجريان المرتفع لأن المطر أو ذوبان الجليد (الماء الجديد) الذي يتسبب في الجريان السطحي غالبًا ما يكون متناظرًا يختلف عن الماء الموجود بالفعل في مستجمعات المياه (المياه القديمة). تناقش الفصول من 3 إلى 7 مصادر التباين في التركيبات النظيرية للمياه في المطر والثلج ومياه التربة والنباتات والمياه الجوفية (على التوالي) وتشرح سبب احتواء مكونات المياه القديمة والجديدة على تركيبات نظيرية مختلفة. يعتبر التريتيوم (3 ساعات) متتبعًا ممتازًا لتحديد المقاييس الزمنية لخلط وتدفق المياه ، وهو مناسب بشكل مثالي لدراسة العمليات التي تحدث على نطاق زمني أقل من 100 عام (انظر الفصول 3 و 7 و 9). تستكشف الفصول 10-14 كيف يمكن استخدام النظائر للتحقيق في العمليات الهيدرولوجية في أنواع مستجمعات المياه المختلفة (مستجمعات المياه المعتدلة والاستوائية التي يهيمن عليها المطر ، والمستجمعات التي يسيطر عليها ذوبان الجليد ، والأحواض القاحلة ، والأنظمة التي تهيمن عليها البحيرة ، على التوالي).

2.5.2 الكيمياء الحيوية للنظائر الذائبة

تتناول الكيمياء الحيوية النظيرية تطبيق نظائر المكونات المذابة في الماء أو التي يتم نقلها في الطور الغازي. تشتمل النظائر المشعة المستخدمة في أبحاث الكيمياء الحيوية للنظائر الذائبة على نظائر: الكبريت (الفصل 15) والنيتروجين (الفصل 16) والكربون (الفصلين 17 و 18). تشمل النظائر الأقل شيوعًا في الأبحاث الكيميائية الجيولوجية نظائر: السترونشيوم والرصاص واليورانيوم والرادون والهيليوم والراديوم والليثيوم والبورون (انظر الفصول 8 و 9 و 18 و 19 و 20).

على عكس النظائر الموجودة في جزيئات الماء ، يمكن تغيير نسب النظائر الذائبة بشكل كبير من خلال التفاعل مع المواد البيولوجية و / أو الجيولوجية أثناء تحرك الماء عبر المستجمع. على الرغم من أن الأدبيات تحتوي على العديد من دراسات الحالة التي تنطوي على استخدام المواد المذابة (وأحيانًا النظائر المذابة) لتتبع مصادر المياه ومسارات التدفق ، فإن هذه التطبيقات تتضمن افتراضًا ضمنيًا بأن هذه المواد المذابة يتم نقلها بشكل متحفظ مع الماء. بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن النظائر الذائبة تتبع المواد المذابة فقط. توفر النظائر الذائبة أيضًا معلومات عن التفاعلات المسؤولة عن وجودها في الماء ومسارات التدفق التي يشير إليها وجودها.

كما نوقش أعلاه ، غالبًا ما توفر نظائر الماء معلومات لا لبس فيها نسبيًا حول أوقات الإقامة والمساهمات النسبية من مصادر المياه المختلفة يمكن بعد ذلك استخدام هذه البيانات لوضع فرضيات حول مسارات تدفق المياه. يمكن أن توفر النظائر الذائبة طريقة بديلة ومستقلة للنظائر لتحديد الكميات النسبية للمياه المتدفقة على طول مسارات التدفق الجوفية المختلفة. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الأقل غموضًا للنظائر الذائبة في أبحاث مستجمعات المياه هو تتبع المساهمات النسبية للمصادر الذائبة المحتملة في المياه الجوفية والمياه السطحية. على الرغم من الاستخدام المكثف لنظائر الكربون والنيتروجين والكبريت في دراسات نمو الغابات والإنتاجية الزراعية ، إلا أن النظائر الذائبة لم تُستخدم بعد بشكل شائع لتحديد تفاعلات التجوية ومصادر المواد المذابة في أبحاث مستجمعات المياه. يحاول هذا الكتاب تصحيح هذا الوضع.

ما ليس واضحًا هو أنه في العديد من أنواع مخططات X-Y ، لن يتم رسم مزيج من عضوين نهائيين بالضرورة على طول الخطوط ولكن بدلاً من ذلك على طول المنحنيات الزائدية (الشكل 2.9 أ). تم شرح ذلك بأناقة شديدة بواسطة Faure (1986) باستخدام مثال نسب 87 Sr / 86 Sr. المبدأ الأساسي هو أن خليط مكونين لهما نسب نظيرية مختلفة (على سبيل المثال ، 87 Sr / 86 Sr أو 15 N / 14 N) وتركيزات مختلفة للعنصر المعني (على سبيل المثال ، Sr أو N) تشكل قطوعًا زائدة عند رسمها على الرسوم البيانية بإحداثيات نسب نظيرية مقابل تركيز. عندما يقترب الفرق بين التركيزات الأولية لمكونين (الأعضاء النهائيين) من الصفر ، فإن القطوع الزائدة تتسطح إلى خطوط. تكون القطعات الزائدة مقعرة أو محدبة اعتمادًا على ما إذا كان المكون ذو النسبة النظيرية الأعلى له تركيز أعلى أو أقل من المكون الآخر. يمكن تحويل خلط القطع الزائدة إلى خطوط مستقيمة عن طريق رسم نسب نظيرية مقابل معكوس التركيز (1 / C) ، كما هو موضح في الشكل 2.9 ب.

تُستخدم الطرق الرسومية بشكل شائع لتحديد ما إذا كانت البيانات تدعم تفسير خلط مصدرين محتملين أو تجزئة مصدر واحد. غالبًا ما تكون فكرة ضمنية في مثل هذه الجهود أن الخلط سينتج "خطًا" يربط بين تركيبات العضوين النهائيين المقترحين بينما سينتج التجزئة "منحنى". ومع ذلك ، كما هو موضح في الشكل 2.10 أ ، يمكن أن ينتج عن الخلط والتجزئة (في هذه الحالة نزع النتروجين) منحنيات (Mariotti et al. ، 1988) ، على الرغم من أن كلا العلاقتين يمكن أن تبدو خطية لنطاقات صغيرة من التركيزات. ومع ذلك ، فإن المعادلات التي تصف عمليات الخلط والتجزئة مختلفة وفي ظل ظروف مواتية ، يمكن تحديد العملية المسؤولة عن المنحنى. وذلك لأن تجزئة رايلي هي علاقات أسية (المعادلة 2.13) ، والتخطيط لقيم d مقابل اللوغاريتم الطبيعي للتركيز سينتج خطًا مستقيمًا (الشكل 2.10 ب). إذا لم يتم ملاحظة العلاقة الأسية وتم إنتاج خط مستقيم على مخطط d مقابل 1 / C (مثل الشكل 2.9 ب) ، فإن هذا يدعم الزعم القائل بأن البيانات يتم إنتاجها عن طريق الخلط البسيط لعضوين نهائيين.

2.5.4 المواد الموسومة بالنظائر

تسمى المواد التي يصنعها الإنسان ذات التركيبات النظيرية التي لم يتم ملاحظتها في الطبيعة بالمواد "المسننة" أو المواد ذات العلامات النظيرية. يوجد العديد من الموردين التجاريين للسوائل والغازات والمواد الصلبة ذات العلامات النظيرية - بعضها يحتوي على ذرات متعددة العلامات (على سبيل المثال ، الماء مع نسب غير عادية 18 O / 16 O و 2 H / 1 H ، أو جزيئات عضوية بنسب مختلفة من العناصر لمجموعات وظيفية محددة مصنفة بتركيبات نظيرية غير شائعة). الاستخدام الأكثر شيوعًا لمستجمعات المياه من أدوات التتبع المسننة هو الدراسات الزراعية لامتصاص النبات للمغذيات. تشمل التطبيقات الأخرى تجارب مستجمعات المياه الكاملة حيث يتم رش NH4 أو NO 3 أو SO 4 في المطر الاصطناعي (انظر الفصلين 15 و 16) ، ودراسات الأرض حيث يتم تطبيق H 2 O على سطح الأرض لتسهيل تتبع حركة المياه "الجديدة" في باطن الأرض.

    د 2 H = [(2 H / 1 H) x / (2 H / 1 H) s - 1)] & middot 1000 (مكافئ 2.27)
    د 2 H = [(0/1 H) x / (2 H / 1 H) s - 1)] & middot 1000 = (0-1) & middot 1000 = -1000 . (مكافئ 2.28)
    د 2 H = [(95/5) / (156 & middot 10 -6) - 1)] & middot 1000 = +122 & middot 10 6 . (مكافئ 2.29)
    F T C T n T = F 1 C 1 n 1 + F 2 C 2 n 2 (مكافئ 2.30)

2.5.5 النظائر المستقرة في النمذجة الجيوكيميائية

في نمذجة التفاعل الكيميائي ، يمكن عادةً العثور على عدة نماذج تفاعل تفي بالبيانات. لكل مسار تفاعل نموذجي ، تُستخدم الحسابات للتنبؤ بالتركيب الكيميائي والنظيري للمرحلة المائية بالإضافة إلى كميات المعادن الذائبة أو المترسبة على طول مسار التدفق. تكمن قوة تقنية النظائر المستقرة في نمذجة المياه الجوفية في حقيقة أننا أضفنا مكونًا ديناميكيًا حراريًا آخر إلى نظامنا لكل نسبة نظيرية يتم قياسها (بلامر وآخرون ، 1983). يمكن استخدام هذه التركيبات النظيرية جنبًا إلى جنب مع البيانات الكيميائية في موازنة الكتلة الجيوكيميائية ونماذج مسار التفاعل (على سبيل المثال ، BALANCE ، PHREEQE ، NETPATH ​​، إلخ) لاستنتاج العمليات الجيوكيميائية ، واختبار الفرضيات حول الهيدرولوجيا والآليات الجيوكيميائية ، والقضاء على مسارات التفاعل المحتملة (بلامر) وآخرون ، 1991).

على سبيل المثال ، فإن d 13 C من إجمالي الكربون غير العضوي المذاب (DIC) هو بشكل عام دالة لـ d 13C للصخور ومدى التفاعل مع الصخور في النظام. وبالتالي ، يمكن أن تكون d 13 C مؤشرًا جيدًا للتفاعلات الجيوكيميائية التي تحدث (الفصل 18). الكبريت مشابه للكربون في هذا الصدد ، والتغيرات في d 13 C على طول مسار التدفق يمكن أن تعكس أحيانًا تفاعلات تسبب أيضًا تغيرات في d 34S (على سبيل المثال ، ترسيب الكالسيت التدريجي على طول مسار التدفق استجابة لتفريغ غاز ثاني أكسيد الكربون يتسبب في إذابة الجبس ). تعد التغييرات في محتوى 14 درجة مئوية على طول مسار التدفق مفيدة للإشارة إلى التغييرات في وقت الإقامة. من ناحية أخرى ، هناك تغيير طفيف في d D و d 18 O من الماء أثناء التفاعلات مع المعادن على طول ممرات التدفق الضحلة منخفضة الحرارة. لذلك ، يمكن في بعض الأحيان استخدام بيانات نظائر الكبريت والكربون على طول مسار التدفق لإزالة واحد أو أكثر من نماذج التفاعل المعقولة التي تم تطويرها من البيانات الكيميائية ، من خلال مقارنة التغييرات الملحوظة في التركيبات النظيرية مع تقدم التفاعل (الشكل 2.8) على طول مسار التدفق. تشتمل مقتففات النظائر المستقرة المفيدة الأخرى على d 15 N و d 18 O من النترات (الفصل 16) و d 34 S و d 18 O من الكبريتات (الفصل 15). تشتمل النظائر المشعة المفيدة على الكربون 14 والسترونشيوم 87 والعديد من نظائر سلسلة اليورانيوم (الفصل 7-9 و 18 و 20).

2.5.6 استخدام نهج متعدد النظائر لتحديد ممرات التدفق

ممرات التدفق هي المسارات الفردية التي تساهم في التدفق السطحي في مستجمعات المياه (انظر الفصل 1). هذه ناتجة عن آليات الجريان السطحي التي تشمل ، على سبيل المثال لا الحصر ، التدفق البري الزائد من التشبع ، والتدفق البري الهورتوني ، وتدفقات المياه الجوفية القريبة من التيار ، والتدفق تحت السطحي لمنحدر التلال عبر مصفوفة التربة أو المسام الكبيرة ، وتدفق الطبقة العضوية الضحلة. تعد معرفة مسارات التدفق الهيدرولوجي في مستجمعات المياه أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على إمدادات المياه العامة وفهم نقل الملوثات ذات المصدر الثابت وغير المحدد (بيترز ، 1994). يتم التعرف على الحاجة إلى دمج ديناميكيات مسار التدفق كعنصر رئيسي في إنتاج نماذج كيميائية موثوقة (Robson et al. ، 1992). بعبارة أخرى ، إذا أخطأ النموذج المستخدم في الهيدرولوجيا ، فمن غير المرجح أن يتنبأ بشكل صحيح بالاستجابة الجيوكيميائية.

يتم عرض النظائر المستقرة مثل 18 O و 2 H في جميع أنحاء هذا الكتاب لتكون بديلاً محسنًا للمقتففات الكيميائية التقليدية غير المحافظة لأن المياه غالبًا ما يتم تمييزها بشكل فريد من خلال تركيباتها النظيرية (Sklash and Farvolden ، 1979) ، مما يسمح غالبًا بفصل المياه من مصادر مختلفة (على سبيل المثال ، المطر "الجديد" مقابل المياه "القديمة" قبل العاصفة). ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات أنه لا يمكن تحديد مسارات التدفق عادة بدرجة عالية من اليقين باستخدام بيانات d 18 O أو d D وتقنيات فصل الهيدروغراف البسيطة لأن المياه داخل نفس مسار التدفق يمكن اشتقاقها من عدة مصادر مختلفة (Ogunkoya and Jenkins ، 1991) . علاوة على ذلك ، فإن الموضوع الأساسي للعديد من الفصول في الجزء 2 من هذا الكتاب هو أن التركيب النظائري للمطر ، والمياه العابرة ، والمياه الذائبة ، ومياه التربة ، والمياه الجوفية عادة ما تكون متغيرة في الزمان والمكان. إذا كان هذا التباين مهمًا على مقياس مستجمعات المياه (أي إذا كانت مياه منحدر التلال المتغيرة في التكوين تصل فعليًا إلى التيار أثناء حدث العاصفة) أو إذا كانت أوقات العبور طويلة و / أو متغيرة ، فعندئذٍ تكون بسيطة مكونة من عنصرين وثلاثة مكونات ثابتة قد لا توفر نماذج الخلط تفسيرات واقعية لهيدرولوجيا النظام.

يتمثل أحد الحلول في تضمين طرق نظيرية بديلة ومستقلة لتحديد الكميات النسبية للمياه المتدفقة على طول مسارات التدفق الجوفية المختلفة في النماذج الهيدرولوجية. يمكن أن توفر نظائر الذائبة التفاعلية مثل 13 C و 34 S و 87 Sr معلومات قيمة حول مسارات التدفق (وليس مصادر المياه) المفيدة للنمذجة الجيوكيميائية والهيدرولوجية على وجه التحديد لأنها يمكن أن تعكس التفاعلات المميزة وتحدث على طول مسارات التدفق المحددة (انظر Bullen et آل ، 1996 الفصل 18). في كثير من الحالات ، يمكن تمييز المياه المتدفقة على طول آفاق مميزة من الناحية المعدنية من خلال تركيبها الكيميائي والتركيبات النظيرية للنظائر الذائبة مثل 13 C ، 87 Sr ، 34 S ، 15 N ، إلخ. على سبيل المثال ، المياه المتدفقة عبر التربة غالبًا ما تحتوي المنطقة على قيم d 13 درجة مئوية والتي يتم استنفادها في 13 درجة مئوية بالنسبة إلى المياه الجوفية العميقة بسبب الإنتاج الحيوي لحمض الكربونيك في التربة العضوية ، ويمكن أيضًا أن تحتوي هذه المياه الضحلة نفسها على تركيبات نظيرية مميزة من الرصاص و Sr.

كان الاستخدام المهيمن للنظائر في أبحاث مستجمعات المياه في العقود القليلة الماضية هو تتبع مصادر المياه والمذابات. بشكل عام ، تم تقييم هذه البيانات باستخدام نماذج خلط بسيطة لتحديد مقدار ما تم اشتقاقه من أي من مصدرين (في بعض الأحيان ثلاثة) للتكوين الثابت. لم يعد العالم يبدو بهذه البساطة بعد الآن. مع التوسع في مجال الهيدرولوجيا النظيرية في العقد الماضي ، والذي أصبح ممكنًا بفضل تطوير وزيادة توافر أنظمة التحضير والتحليل الآلية لمقاييس الطيف الكتلي ، قمنا بتوثيق عدم تجانس كبير في التركيبات النظيرية للمطر ، ومياه التربة ، والمياه الجوفية ، و مصادر الذائبة. ما زلنا نكافح بشأن كيفية التعامل مع هذا التباين في نماذجنا الهيدرولوجية والجيوكيميائية. يتمثل التحدي الرئيسي في استخدام التباين كإشارة ، وليس ضوضاء ، في نماذجنا (Kendall et al. ، 1995) ، توفر التركيبات النظيرية والكيميائية معلومات مفصلة للغاية حول المصادر والتفاعلات في الأنظمة الضحلة ، إذا كان بإمكاننا فقط تطوير النماذج المناسبة لاستخدام البيانات. يشكل تكامل البيانات الكيميائية والنظيرية مع النماذج الهيدرولوجية المعقدة حدودًا مهمة لبحوث مستجمعات المياه.


الفصل 2 - النظائر المشعة في الكيمياء الحيوية

وحدة النشاط الإشعاعي في النظام الدولي للوحدات ، بيكريل (Bq) هي تفكك واحد في الثانية. يسمى النشاط الإشعاعي لعنصر أو مركب لكل وحدة كتلة عنصر نشاط محدد. يلعب التصوير الشعاعي الذاتي دورًا بارزًا في كل من القياس الكمي وشبه الكمي للنظائر المشعة في التحليلات الكيميائية الحيوية. يمكن تقسيم التصوير الشعاعي الذاتي إلى ثلاث تقنيات مختلفة ، وهي التصوير الشعاعي الذاتي المباشر والتصوير الفلوري والتصوير الشعاعي الذاتي غير المباشر. تتسبب جسيمات بيتا عالية الطاقة التي تنتقل عبر الماء في استقطاب الجزيئات على طول مسارها ، والتي تبعث بعد ذلك فوتونات من الضوء مع عودة طاقتها إلى الحالة الأرضية. أحد أهم تطبيقات النظائر المشعة في الكيمياء الحيوية هو استخدامها في تحديد المسارات الأيضية وقياس تدفق المستقلبات عبر المسارات. تم تطوير طرق النظائر المشعة لتتبع ومعايرة التفاعلات الأنزيمية. إذا كان تفاعل الإنزيم بسيطًا ، فيمكن مراقبة استخدام الركيزة ذات العلامات الإشعاعية أو تكوين المنتج المشع. تستخدم النظائر المشعة أيضًا لتتبع المسارات الأيضية. تتضمن مثل هذه التجارب عادةً تقنيات مطاردة النبض حيث يتم تقديم المادة المشعة إلى النظام البيولوجي كنبضة ويتم مطاردة العلامة الإشعاعية من خلال مستقلبات مختلفة أو مقصورات خلوية.


وحدات قياس الإشعاع

وحدةاختصارتعريفتعليق
رونتجن ر كمية الطاقة الممتصة في الهواء للأشعة السينية وأشعة جاما فقط
جرعة ممتصة من الإشعاع راد الطاقة الممتصة لكل جرام من المادة

* الوحدات الدولية (SI) من Bequerel و Gray و Sievert هي التعبيرات المفضلة حاليًا.

    (الأكاديمية الوطنية للعلوم ، مجلس الدراسات النووية والإشعاعية ، 29-30 سبتمبر 2016) (راجع ملفات PDF الخاصة بـ 26 عرضًا تقديميًا)
      (ملف PDF - 530.5 كيلوبايت)

    الإشعاع التطبيقي والنظائر

    تهدف المجلة إلى نشر أوراق ذات أهمية للجمهور الدولي ، تحتوي على حداثة كبيرة وتأثير علمي.يحتفظ المحررون بالحق في رفض ، مع أو بدون مراجعة خارجية ، الأوراق التي لا تستوفي هذه المعايير.

    يجب توجيه الأوراق التي تتناول المعالجة الإشعاعية ، أي حيث يتم استخدام الإشعاع لإحداث تغيير بيولوجي أو كيميائي أو فيزيائي في مادة ما ، إلى المجلة الشقيقة فيزياء الإشعاع والكيمياء.

    لن يتم قبول المخطوطات التي تصف نتائج قياسات المواد المشعة أو غيرها من المواد في أي وسيط تم الحصول عليها باستخدام طرق تحليلية راسخة ما لم تصف أيضًا الابتكارات الجوهرية أو التحسينات في المنهجية التحليلية. تشمل الموضوعات ذات الصلة بالإشعاع التطبيقي والنظائر ما يلي ، ومع ذلك ، يتم تشجيع المؤلفين على اقتراح مواضيع أخرى يمكن نشرها أيضًا في المجلة:

    • مصادر الإشعاع: التصميم والبناء والإنتاج والخصائص.
    • النويدات المشعة: الإنتاج ، التنشيط المقاطع العرضية ، التصميم المستهدف ، المعالجة ، إجراءات مراقبة الجودة.
    • توليف المركبات الموصوفة: التوليف ، والتنقية ، ومراقبة الجودة ، والاختبار المختبري للمركبات التي تحمل علامات النويدات المشعة / الأدوية المشعة.
    • قياس النشاط الإشعاعي والإشعاعي: قياس الأشعة السينية ، وأشعة ampggr ، وجسيمات ampagr و & ampbgr وأشكال أخرى من الأجهزة النووية الإشعاعية ، بما في ذلك قياس الطيف الإشعاعي وقياس الجرعات وأنظمة العد الجديدة وعدادات الجسم بالكامل وأنظمة الكشف عن الإشعاع الجديدة.
    • طرق التحليل الإشعاعي: تحليل التنشيط ، تحليل التخفيف بالنظائر ، المقايسة المناعية الإشعاعية ، التصوير المقطعي للنويدات المشعة ، قياس الطيف الإشعاعي.
    • موضوعات الفيزياء والكيمياء النووية بما في ذلك تجميع البيانات ذات الصلة المباشرة بالتطبيقات العملية.
    • الرنين المغناطيسي النووي / الرنين المغزلي للإلكترون: قياس الجرعات ، والتأريخ ، والتصوير ، والتطبيقات الطبية الحيوية ، وحوادث الإشعاع.
    • الإشعاع الطبي: تطوير تطبيقات الإشعاع المؤين والنظائر المشعة في العلاج الإشعاعي والتصوير والطب النووي.
    • مطياف الكتلة المسرع: المنهجية والتطبيقات الطبية الحيوية والبيئية وغيرها.
    • الجيوفيزياء النووية: دراسات قشرة الأرض والغلاف المائي والغلاف الجوي والأجسام الكوكبية. الأساليب النووية لاستكشاف واستخراج ونقل واستخدام المياه والنفط والغاز والفحم والمعادن الأخرى.
    • الكيمياء الإشعاعية: السلوك الكيميائي وانتواع النويدات المشعة.
    • البيئة: السلوك الكيميائي وانتواع النويدات المشعة والمركبات الموسومة بخلاف تلك ذات الأهمية السريرية المباشرة ، في عوامل النظم الجيولوجية أو البيئية أو البشرية أو الحيوانية أو النباتية التي تعدل هذا السلوك.

    يجب أن تتخذ المخطوطات ، التي ستخضع لمراجعة الأقران ، أحد الأشكال التالية:


    تدخين السجائر والإشعاع

    تقدر مراكز مكافحة الأمراض والوقاية منها (CDC) أن السجائر وتعاطي التبغ تقتل الأمريكيين كل عام أكثر من الكحول وحوادث السيارات والانتحار والإيدز والقتل والعقاقير غير المشروعة مجتمعة. يعرف معظم الناس أن دخان السجائر والتبغ يحتويان على العديد من المواد السامة بما في ذلك القطران والزرنيخ والنيكوتين والسيانيد ، وقد عُرفت الأخطار الشائعة للسجائر منذ عقود. ومع ذلك ، قلة من الناس يعرفون أن التبغ يحتوي أيضًا على مواد مشعة: البولونيوم 210 والرصاص 210. المواد السامة والمشعة في السجائر تؤذي المدخنين معًا. كما أنها تؤذي الأشخاص المعرضين للتدخين السلبي. لمزيد من المعلومات حول التدخين السلبي ، يرجى الاطلاع على موقع CDC على الويب ، التدخين وتعاطي التبغ.

    ما هو البولونيوم 210 والرصاص 210؟

    المواد المشعة مثل البولونيوم 210 والرصاص 210 توجد بشكل طبيعي في التربة والهواء. توجد أيضًا في الأسمدة عالية الفوسفات التي يستخدمها المزارعون في محاصيلهم. يدخل البولونيوم 210 والرصاص 210 أوراق التبغ ويظلون هناك حتى بعد معالجة التبغ.

    عندما يشعل المدخن سيجارة ويستنشق دخان التبغ ، تدخل المواد السامة والمشعة في الدخان إلى الرئتين حيث يمكن أن تسبب تلفًا مباشرًا وفوريًا للخلايا والأنسجة. يمكن أن تتسبب نفس المواد السامة والمشعة أيضًا في إتلاف رئتي الأشخاص القريبين.

    كيف يمكن أن تؤثر السجائر والتبغ والإشعاع على صحتك؟

    يتراكم البولونيوم 210 والرصاص 210 لعقود في رئة المدخنين. يتراكم القطران اللاصق في التبغ في ممرات الهواء الصغيرة في الرئتين (القصيبات) وتحتجز المواد المشعة. بمرور الوقت ، يمكن أن تؤدي هذه المواد إلى الإصابة بسرطان الرئة. تظهر دراسات مراكز مكافحة الأمراض والوقاية منها (CDC) أن التدخين يسبب 80٪ من جميع وفيات سرطان الرئة لدى النساء و 90٪ من جميع وفيات سرطان الرئة لدى الرجال. لمزيد من المعلومات حول المخاطر الصحية المتزايدة للتدخين ، راجع الآثار الصحية لتدخين السجائر CDC & rsquos.


    النظائر المشعة المستخدمة في التصوير التشخيصي (أجهزة التتبع)

    يمكن استخدام النظائر المشعة كمقتفعات داخل الكائن الحي لتتبع ما يحدث داخل الكائن الحي على المستوى الذري ، أي أن النظائر المشعة يمكن حقنها أو ابتلاعها بواسطة الكائن الحي ، ويمكن للباحثين تتبع الأنشطة الداخلية باستخدام النشاط الإشعاعي. يمكن للأخصائيين الطبيين استخدام النظائر المشعة لمعرفة العمليات والظروف الداخلية داخل جسم الإنسان. الغاليوم -67 ، على سبيل المثال ، يمكن أن يتناوله المرضى. عندما يخضع المريض للتصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، يمكن للأطباء تتبع المادة داخل الجسم ومعرفة ما يحدث دون جراحة باضعة. تساعد النظائر المشعة الأخرى ، مثل اليود 123 واليود 125 ، الأطباء في تشخيص اضطرابات الغدة الدرقية واضطرابات التمثيل الغذائي بطريقة مماثلة.


    ورقة عمل التركيب الذري

    قم بتنزيل ورقة عمل الهيكل الذري

    قم بالتمرير لأسفل للحصول على حل بالفيديو لورقة عمل الهيكل الذري

    القسم 1: أسئلة الاختيار من متعدد

    س 1. يستخدم نظير الكوبالت 60 (60 Co) لتدمير الخلايا السرطانية في جسم الإنسان.

    ما هي العبارات الصحيحة حول ذرة الكوبالت -60؟

    1. يحتوي على 33 نيوترون.

    2. نواتها لها شحنة نسبية 27+.

    3. يحتوي على عدد مختلف من النيوترونات من ذرات نظائر الكوبالت الأخرى.

    س 2. في أي الأنواع تتساوى أعداد الإلكترونات والنيوترونات؟

    س 3. نظير الثاليوم المشع ، 201 81يستخدم Tl لتقييم الضرر في عضلات القلب بعد نوبة قلبية.

    أي بيان عن 201 81ليرة تركية الصحيح؟

    عدد النوكليون لهذا النظير هو 120.

    ب عدد الإلكترونات في ذرة واحدة من هذا النظير هو 81.

    C عدد النيوترونات في ذرة واحدة من هذا النظير هو 201.

    د 201 82X هو نظير من 201 81تل.

    س 4. احتوت نظرية التركيب الذري لجون دالتون ، التي نُشرت عام 1808 ، على أربعة تنبؤات حول الذرات. أي من تنبؤاته لا تزال صحيحة؟

    الذرات صغيرة الحجم جدًا.

    ب لا يمكن تقسيم أي ذرة إلى أجزاء أبسط.

    C جميع ذرات عنصر معين لها نفس الكتلة.

    D جميع ذرات عنصر واحد تختلف في الكتلة عن جميع ذرات العناصر الأخرى.

    س 5. يعتبر نظير التكنيشيوم - 99 (99 Tc) مشعًا وقد تم العثور عليه في الكركند والأعشاب البحرية المجاورة لمحطات إعادة معالجة الوقود النووي.

    ما هي العبارات الصحيحة حول ذرة 99 Tc؟

    1 يحتوي على 13 نيوترونًا أكثر من البروتونات.

    س 6. يمكن علاج سرطان الجلد باستخدام نظير مشع للفوسفور ، 32 P. مركب يحتوي على أيون الفوسفيد 32 15P 3− ، ملفوفة في ورقة بلاستيكية ، يتم ربطها بالمنطقة المصابة.

    ما هو تكوين أيون الفوسفيد ، 32 15ص 3−؟

    س 7. من أهم الأنواع الكيميائية المسؤولة عن إزالة الأوزون من الستراتوسفير الجذور الحرة للكلور ، 35 Cl •.

    ما هو التركيب الذري لـ 35 Cl •؟

    س 8. Unnilpentium عنصر اصطناعي. أحد نظائره هو 262 105Unp. أي من العبارات التالية صحيحة؟

    أ 262 105لدى Unp عدد نواة هو 105.

    ب. ذرة 260 X هي نظير 262 105Unp.

    C يوجد 262 نيوترونًا في 262 105Unp.

    D عدد البروتون 262 105Unp هو 262.

    س 9. استخدام كتيب البيانات وثيق الصلة بهذا السؤال.

    يُعتقد الآن أنه في حالة وجود عنصر ما على شكل عدة نظائر ، فإن العناصر المستقرة تحتوي عادةً على "عدد سحري" من النيوترونات. أحد هذه الأرقام السحرية هو 126.

    ما هو النظير غير المستقر؟

    أ 209 بي ب 208 Pb C 210 Po D 208 Tl

    س 10. أي الأيون يحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات وبروتونات أكثر من النيوترونات؟

    س 11. استخدام كتيب البيانات وثيق الصلة بهذا السؤال.

    يحتوي الماء العسر على أيونات الكالسيوم وأيونات هيدروجين كربونات الناتجة من هيدروجين كربونات الكالسيوم المذابة ، Ca (HCO3)2.

    كم عدد الإلكترونات الموجودة في أنيون الهيدروجين كربونات؟

    س 12. تحتوي نواة ذرة الرادون

    أ ٢٢٢ بروتونًا و ٨٦ نيوترونًا ب ٨٦ بروتونًا و ١٣٦ نيوترونًا

    C 86 بروتونات و 222 نيوترون D 86 بروتون و 136 نيوترون و 86 إلكترونًا

    س 13. في أي زوج تحتوي الأنواع على نفس عدد النيوترونات؟

    س 14. أكمل الجدول أدناه بإعطاء عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترون [4]

    س 15. ضع في اعتبارك تكوين الأنواع W و X و Y و Z أدناه. أي الأنواع هي أيون موجب؟

    س 16. يوجد الكلور على شكل نظيرين طبيعيين ، الكلور 35 والكلور 37. أي من العبارات التالية بخصوص ذرات الكلور هي خاطئة.

    جميع ذرات الكلور لها نفس الشحنة النووية.

    ب يبلغ قطر النوى حوالي 1/10000 من قطر ذرات الكلور.

    C تحتوي بعض نوى الكلور الطبيعية على 18 نيوترونًا.

    د- تحتوي بعض نوى الكلور الموجودة بشكل طبيعي على 20 إلكترونًا.

    س 17. النظائر هي عناصر ذات

    نفس العدد الذري ونفس عدد النيوترونات

    B له نفس العدد الكتلي لكن بعدد مختلف من النيوترونات

    C نفس العدد الذري لكن عدد مختلف من النيوترونات

    تختلف D الأعداد الذرية والكتلة ولكن نفس عدد النيوترونات

    س 18. أي من الجسيمات التالية يحتوي على إلكترونات أكثر من النيوترونات

    أ I فقط B II فقط C I و II فقط D II و III فقط

    س 19 ما هي الأنواع التي تحتوي على 54 إلكترونًا و 52 بروتونًا؟

    س 20. أي مما يلي يمثل زوجًا من النظائر؟

    س 21. نظير عنصر ، العدد الذري z ، له كتلة عدد 2z + 4. كم عدد النيوترونات في نواة العنصر؟

    س 22. نواة 23 11تحتوي ذرة Na

    أ 11 بروتون و 12 نيوترون.

    ب 11 بروتونات و 12 إلكتروناً.

    C 23 بروتونات و 11 نيوترون.

    د 23 بروتونات و 11 إلكترون.

    س 23. نظائر المغنيسيوم ، 24 12ملغ و 25 12ملغ ، كلاهما شكل أيونات بشحنة 2+. أي من العبارات التالية حول هذه الأيونات صحيح؟

    A كلا الأيونات لهما تكوين إلكتروني 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2.

    يحتوي B 25 Mg 2+ على بروتونات أكثر من 24 Mg 2+.

    ج- الأيونات لها نفس عدد الإلكترونات ولكن أعداد مختلفة من النيوترونات.

    D الأيونات لها نفس عدد النيوترونات لكن أعداد مختلفة من البروتونات.

    س 24. أي مما يلي لا يحتوي على 10 إلكترونات بالضبط؟

    ب A جزيء من الميثان ، CH4

    C جزيء من النيتروجين ، N2

    س 25. أي من العبارات التالية عن 25 12ملغ هو الصحيح؟

    (أ) لها نفس عدد النيوترونات والبروتونات.

    (ب) يمكن أن يتأكسد ليشكل Mg 2+

    (ج) وهو أكثر نظائر المغنيسيوم شيوعًا.

    (د) لديها طاقة تأين أعلى من 24 12ملغ.

    القسم 2: التركيب الذري والنماذج المتغيرة للذرة (أسئلة الإجابة المختصرة)

    س 1. وصف السير جيمس جينز ، الذي كان ذائع الصيت للعلم ، ذات مرة التركيب الذري للكربون بأنه مثل ستة نحلات تحوم حول مساحة بحجم ملعب كرة قدم.

    (أ) (ط) اقترح ما يمثله النحل الستة في هذا الوصف.

    (ثانيا) اشرح (من حيث ذرة الكربون) ما الذي منع النحل من الطيران بعيدًا عن فضاء ملعب كرة القدم.

    (ثالثا) ما الذي ينقص وصف جينز عند وضعه على ذرة كربون؟

    س 2. (أ) حدد نظير من حيث الجسيمات دون الذرية.

    س 3. الحديد والكوبالت عناصر متجاورة في الجدول الدوري. يحتوي الحديد على ثلاثة نظائر رئيسية موجودة بشكل طبيعي ، والكوبالت له نظير واحد.

    (ب) أكثر نظائر الحديد شيوعًا هو 56 Fe ، والنظير الطبيعي الوحيد للكوبالت هو 59 شركة. استخدم كتيب البيانات لإكمال الجدول أدناه لإظهار التركيب الذري لـ 56 Fe و 59 Co.

    س 4. في القرنين التاسع عشر والعشرين ، أسس العلماء النظرية الذرية وأظهروا وجود ثلاث جسيمات دون ذرية ، الإلكترون والنيوترون والبروتون. تم تحديد كتل وشحنات هذه الجسيمات الثلاثة لاحقًا.

    (ط) تحديد المصطلح رقم البروتون.

    (2) لماذا عادة ما يختلف عدد البروتون لذرة عنصر عن عدد النوكليون لذرة العنصر؟

    (3) تم استخدام البروتونات والنيوترونات في التفاعلات النووية التي تؤدي إلى تكوين عناصر اصطناعية. في مثل هذه العمليات ، يتم تسريع البروتونات أو النيوترونات إلى سرعات عالية ثم إطلاقها مثل "الرصاص" على نواة ذرة عنصر.

    اقترح لماذا تعتبر النيوترونات أكثر فعالية من البروتونات باعتبارها "رصاصة نووية".

    (4) في بعض الحالات ، عندما يتم إطلاق النيوترونات على ذرات عنصر ما ، تصبح النيوترونات جزءًا من نواة تلك الذرات.

    ما هو تأثير وجود نيوترون إضافي على الخواص الكيميائية للذرات الجديدة المتكونة؟ اشرح اجابتك.

    س 5. تعتمد الكتل الذرية النسبية للعناصر على مقياس 12 درجة مئوية.

    (أ) ما هو تكوين نواة 12 ج؟

    (ب) يوجد الكربون أيضًا كنظير 14 درجة مئوية. كيف يختلف تركيب نظير 14 ج عن نظير 12 ج؟

    س 6. يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر ، 1 H ، المعروف بالبروتيوم ، 2 H ، الديوتيريوم ، و 3 H ، التريتيوم.

    (أ) من حيث الجسيمات دون الذرية ، اذكر أوجه التشابه والاختلاف بين ذرات نظائر الهيدروجين الثلاثة.

    س 7. (أ) أعط الشحنة النسبية والكتلة النسبية للإلكترون.

    (ب) تشتمل نظائر الكروم على 54 Cr و 52 Cr

    (ط) أعط عدد البروتونات الموجودة في ذرة 54 Cr

    (2) استنتج عدد النيوترونات الموجودة في ذرة 52 Cr

    س 8. (أ) أكمل الجدول التالي. [2]

    الكتلة النسبية الشحنة النسبية
    بروتون
    إلكترون

    (ب) ذرة عنصر س يحتوي على نفس عدد النيوترونات الموجودة في ذرة 27 Al. ذرة من س يحتوي أيضًا على 14 بروتونًا.

    (ط) أعط عدد البروتونات في ذرة 27 Al.

    (2) استنتج الرمز ، بما في ذلك العدد الكتلي والعدد الذري ، لذرة العنصر هذه س.

    س 10. درس جيجر ومارسدن بنية الذرات. يوضح الرسم التخطيطي جزءًا من المعدات التي استخدموها.

    (6) تم اكتشاف جسيمات ألفا عندما اصطدمت بشاشة كبريتيد الزنك. كيف عرف العلماء أن جسيم ألفا قد اصطدم بالشاشة؟

    س 11. في تجربة نثر جسيمات ألفا التي أجراها جيجر ومارسدن ، تم توجيه جسيمات ألفا نحو رقائق ذهبية رفيعة جدًا. يوضح الشكل 11 خمس نوى للذرات في طبقة واحدة في رقائق الذهب. تظهر أيضًا مسارات ثلاث جسيمات ألفا موجهة إلى الرقاقة.

    (أ) في الشكل 11.1 ، أكمل مسارات جسيمات ألفا الثلاثة. [3]

    (ب) (1) اذكر نتيجة التجربة التي توضح أن الذرة تتكون من نواة صغيرة جدًا مشحونة تحتوي على كل كتلة الذرة تقريبًا. [1]

    (3) حدد ما يشغل الفراغ بين هذه النوى المشحونة. [1]

    (ج) تدوين النويدات لجسيم ألفا هو 4 2 α. حدد عدد البروتونات والنيوترونات في جسيم ألفا [2]

    س 12. استخدم المعلومات التالية لمساعدتك في الإجابة على الأسئلة.

    تجربة رقائق الذهب

    اعتاد العلماء على الاعتقاد بأن الإلكترونات تنتشر عبر ذرة موجبة الشحنة. أطلقوا على هذا اسم "حلوى البرقوق" نموذج التركيب الذري.

    لاختبار هذه الفكرة ، وجه العلماء جزيئات ألفا إلى رقائق ذهبية رفيعة. لقد توقعوا أن تمر جسيمات ألفا مباشرة.

    أظهرت النتائج أن جميع جسيمات ألفا تقريبًا تمر عبرها مباشرة ، لكن القليل منها لم يمر. حوالي 1 من كل 8000 ينحرف بعيدًا بزاوية كبيرة جدًا. كانت هذه النتائج "الشاذة" هي التي أدت إلى فهم جديد للذرة.

    (أ) ما هو التنبؤ في هذه التجربة؟ [1]

    (ب) (ط) ماذا يقصد العلماء بالنتائج الشاذة؟ [1]

    (2) كيف يجب أن يتعامل العلماء مع النتائج الشاذة؟ [1]

    8 ج) اشرح كيف أدت هذه النتائج الشاذة إلى فكرة وجود شحنة موجبة في مركز الذرة. [2]

    يمثل هذا نهاية ورقة العمل حول التركيب الذري والنماذج المتغيرة للذرة.


    شاهد الفيديو: شرح تفصيلي للنظائر المشعة والنظائر المستقرة Radioactive and Stable Isotopes (كانون الثاني 2022).