II бүлэг. Химийн элементийн геохимийн тархалт

Transcript

1 CHEM 323: Геохимийн үндэс Атом ба химийн элемент Лекц 5 II бүлэг. Химийн элементийн геохимийн тархалт Химийн элементийн үүслийн тухай таамаглал Цацраг идэвх чанар. Цацараг идэвхт изотоп, түүний задрал Цацраг идэвх изотопын хэрэглээ Цөмийн урвал. 1

2 1. Атом ба химийн элемент АТОМ: масс болон цахилгаан цэнэгээрээ ялгаатай электрон, протон, нейтрон гэсэн гурван эгэл хэсгээс тогтсон нийлмэл тогтолцоо. Нуклид ( 16 8O, 17 8O, 18 8O, 15 7N ): Протоны болон нейтроны тоогоор тодорхойлогдох атомууд Изотоп Z = 1, 1, 1 N = 0, 1, 2 A = n + Z =1, 2, C, 15 7 N Изотон: Z = 6, 7 N = 8, 8 A = n+ Z = 14, Ar, 40 K, 40 Ca. Изобар: Z = 18, 19, 20 N = 22, 21, 20 A = N + Z = 40, 40, 40 Байгальд тохиолдох нуклидын тоо 340 Тогтвортой 270 Цацраг идэвхт 70 Протоны тоо, p = Z, цөмийн цэнэгийн тоо Нуклеоны тоо, A = N + p 2

3 Шидэт нуклеоны тоонууд: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Шидэт тоо бүхий цөмүүд энергийн хувьд тогтвортой шинээр нейтрон авах чадвар сул Z = 50 үед хамгийн тогтвортой олон изотоп үүсдэг. Изотопуудын массын ялгааг үндэслэн диффузи, термодиффузи, центрифугдэх г.м. аргуудаар ялгадаг Изотопуудыг масс спектрометрийн аргаар илрүүлдэг. Хий байдалтай жижиг хэсгүүдийг иончилж цахилгаан оронд хурдасгасны дараа соронзон оронд оруулахад хувийн цэнэгээрээ (цэнэгийг массад нь харьцуулсан харьцаа) ялгаранч өөр өөр газар цуглаж, масс спектр үүсгэдэг. o Масс спектрометрийн аргыг изотопуудын тоо, эзлэх хувь, атом массыг тогтооход, o Өчүүхэн бага хэмжээтэй хольцыг илрүүлэх, нэгдлүүдийн холимогт анализ хийх, молекулын байгуулалт, урвалын механизмыг тайлбарлахад ашиглана. 3

4 ЭЛЕМЕНТ: Нэгэн ижил цөмийн цэнэг бүхий атомаас тогтсон химийн бодисууд 1. ДАН БОДИС (ХИМИЙН ЭЛЕМЕНТ) А). металл, металл бишүүд, металл төстүүд (металлойд) Б). s, p, d, f - элементүүд Металл - 87 s IA, IIA бүлгийн - 12 p IIIA VIIA бүлгийн - 7 d IB VIIIB бүлгийн - 38 f элемент Лантанид - 15 Актинид - 15 Металл бишүүд - 18 Галоген - 5 Инертийн хий - 6 Металл биш - 7 H, C, N, P, O, S, Se Металлойд - 7 B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po 4

5 2. ХИМИЙН ЭЛЕМЕНТИЙН ҮҮСЭЛИЙН ТУХАЙ ТААМАГЛАЛ Цөмийн физик, сансрын физик, сансар судлалын судалгаагаар химийн элементийн үүслийн тухай олон таамаглал байдаг ч дараах 2 үндсэн таамаглал хамгийн их тархсан байна. 1. Бүхий л харагдаж буй орчлон ертөнц ганц анхдагчаас, их тэсрэлтийн дараа үүссэн. Бүх элементийг үүсгэгч эх материал устөрөгч. 1. Тодорхой бие даасан сансрын биетэд (Ж: одод дээр) цөмийн урвал явагдах хангалттай даралт, температурын орчинд химийн элемент үүснэ. 5

6 Big Bang Nucleosynthesis Орчлон ертөнцийн тэтэлтийн цаг хугацааны шугам Орчлон ертөнц эхлэх тэр тэр хязгараас өмнө анхдагч гэрэл оршиж байсан бөгөөд их тэсрэлтийн дараа 380,000 орчим жилийн хугацаанд саармаг атомд шилжсэн. Их тэсрэлтийн дараах эхний хэдэн секунтэд орчлон ертөнт маш халуун, өтгөн, бүрэн иончлогдсон байсан. Бүх протон, нейтрон, электрон чөлөөтэй хөдөлж атомын тогтолцоо үүсгээгүй байсан. Гурван минутын дараа орчлон C -ээс 10 9 C хүртэл хөрч атомын цөм үүсч эхэлсэн. Протоууд анхдагч цөм болж байсан. Протон нейтрон нэгдэн асар их гэрэл (фотон) цацруулан дейтрийн цөм дейтрон үүсгэсэн. 6

7 Наран дээр болох устөрөгчийн шаталт 7

8 ОДОД ДЭЭР ЯВАГДАХ ХИМИЙН ЭЛЕМЕНТИЙН СИНТЕЗИЙН БҮДҮҮВЧ 1. Устөрөгч гелийн шаталтын үндсэн шугам 2. Тухайн тохиолдлын шилжилт 3. Нейтроны шилжилт 4. Тухайн тохиолдлын нейтроны шилжилт 5. Катализын шилжилт 6. Тэнцвэрийн процесс 7. Альфа шилжилт 8. Дүрс хувиралын өөрчлөлт 8

9 The universe is expanding at an accelerating rate. In physical cosmology and astronomy, dark energy is a hypothetical form of energy that permeates all of space and tends to accelerate the expansion of the universe. In the standard model of cosmology, dark energy currently accounts for 73% of the total mass energy of the universe. Only about 4% of the total mass of the universe is made of atoms or ions, and thus represented by chemical elements. This fraction is about 15% of the total matter, with the remainder of the matter (85%) being dark matter. The nature of dark matter is unknown, but it is not composed of atoms of chemical elements because it contains no protons, neutrons, or electrons. 9

10 3. Цацараг идэвхт чанар. Цацараг идэвхт изотоп, түүний задрал ЦАЦРАГ ИДЭВХИТ ЧАНАР: o Элементийн өөрөө аяндаа цацраг ялгаруулдаг шинж o Атомын цөмийн йяндаа явагдах задрал ЦАЦРАГ ИДЭВХИТ ТУЯА: цөмийн задралын үтээгдэхүүн ЦАЦАРАГ ИДЭВХТ ИЗОТОП: Өөрөө аяндаа задрах тогтворгүй нуклидууд ЦАЦАРАГ ИДЭВХТ ЗАДРАЛ: Т огтворгүй цөм, цөмийн жижиг хэсгүүдийг ялгаруулан өөр тогтвортой нуклидад өөрөө аяндаа шилжих цөмийн хувирал 1896 он: Беккерел: ураны нэгдлүүдийн ц.и.ч ыг нээсэн 1898 он: Пьер болон Мари Кюри ураны хүдрээс радийг ялгасан 1903 он: Резерфорд, Содди нар цацраг идэвхит бодуудын ш/ч -ыг судалсан 10

11 Химийн элементийн цөмийн задралыг 3 ангилна 1. Альфа задрал: Химийн элементын элементийн цөмийн цэнэг цацраг 2 оор идэвхт буурсан задрал шинэ элемент болон атом -жижиг хэсэг ( 4 2He) болон үүсгэн задрах урвал. А Z Э А-4 Z -2Э U + e - = Th + 4 2He 2. Бета задрал : - задрал = e - алдалт: цөмийн нэг нейтрон электрон ялгаруулан протонд шилждэг. Зарим тохиолдолд антинейтрино ( e- ) үүсдэг. n p + e - + e Bi = Po + e - + e- Бета + задрал = e + алдалт = позитрон үүсэлт: цөмийн нэг протон позитрон (e + ) ялгаруулан нейтронд шилжинэ. p n + e + + e C = 11 5B + e + + e- 3. Элекроны захват (булаан авалт) Electron Capture: цөмийн нэг протон электрон нэгдүүлэн нейтронд шилжинэ. p + e - n + e K + e - = 40 18B + e- 11

12 12

13 Цөмийн урвалын үед α, β, γ туяаны цацргалт болно Гамма туяаны цацаргалт болоход, атомын протон, нуклеоны тоо өөрчлөгдөхгүй (элемент хувирахгүй), Энерги ихтэй, өдөөгдсөн төлөвт байгаа цөм энерги багатай үндсэн төлөвт шилжинэ 13

14 Firstly we can see two protons and two neutrons being emitted together in a process called alphadecay. Secondly, we can see that a proton can release a positron in a process called beta-plus decay, and that a neutron can emit an electron in a process called beta-minus decay. Thirdly we can also see an electron being captured by a proton. We can see some energy (a photon) being emitted which results from a process called gamma-decay as well as an electron being attracted into the nucleus and being ejected again. Finally there is the rather catastrophic process where the nucleus cracks in half called spontaneous fission. 14

15 Атомын цөмийн хүч ба цацаргалтын энерийн ялгаа 15

16 Цацрагийн идэвх, энергийг хэмжих нэгж Цацрагийн идэвх, А: Цацраг идэвхит бодисын нэгж хугацаанд болох задралын тоо хэмжээ. СИ системийн нэгж нь Беккерел [Бк] = bequerel [Bq] 1 Бк = 1000задрал /1сек. Кюри [Kи] = Curies [Ci] : 1 г радийн задралын хэмжээ Kи = задрал /1сек = 37 ГБк Цацрагийн энерги, D: Ионжуулагч цацрагийн нөлөөгөөр биетийн нэгж масст нэмэгдэх энерги СИ системийн нэгж нь Грей [Гй] = grey[gy] 1 Гй = 1 Ж/кг Эквивалент энерги, D q : Цацрагийн биологид үзүүлэх нөлөөг тооцоход хэмжигдэхүүн. D q = D q q -үнэлэх фактор, СИ системийн нэгж Сиеверт [Св] = sievert [Sy] 16

17 Цацрагийн төрөл Рентген цацраг, γ-цацраг β-цацраг 1 Протонууд, α-цацраг Нейтронууд Үнэлэх фактор, q 1 1 ~ Цацраг идэвхт бодистой ажилладаг хүнд хүлээн зөвшөөрөх цацрагийн дээд хэмжээ 20м Св/жил Дэлхийн хүн ам жилд дунджаар 1,9 мсв ийн цацаргалтад өртдөг. Цацрагын үндсэн эх үүсвэрийг эмчилгээний зориулалтаар үүсгэнэ. 17

18 Цацраг идэвхт задралын бүтээгдэхүүн, тэдгээрийн хэрэглээ 18

19 4. ЦАЦРАГ ИДЭВХ ИЗОТОПЫН ХЭРЭГЛЭЭ Цацраг идэвхит задрал өөрөө аяндаа явдаг статистик процесс төдийгүй урвалд гаднаас нөлөөлөх боломжгүй байдаг онцлогтой. Нэгж хугацаанд болох цөмийн задралын тоо хэмжээ тогтмол байна. Энэ шинж чанарт үндэслэн олонх цацраг идэвхт изотопийг хүрээлэн буй орчны судалгаанд өргөн ашиглана. Тухайлбал, Гүний ус, хурдас, мөсөн давхрага, эрдэс миерал, амьтан ургамалын нас тодорхойлох Гүний усны урсгалын хурдыг тодорхойлох Гүний усны шилжилтийн ул мөрийг илрүүлэх Хүрээлэн буй орчны бохирдлын эх үүсвэрийг тогтоох... 19

20 Цацараг идэвхт бодисын задрал нэгдүгээр эрэмбийн урвал учраас түүний хурд дараах байдлаар илэрхийлэгдэнэ. Сөрөг тэмдэг хугацааны эгшин бүрт анхны атомын тоо буурч байгааг илтгэнэ N : t хугацаанд задраагүй үлдсэн цөмийн тоо, λ : задралын тогтмол (цацраг идэвхит цөм бүрт өөр) N 0 : t = 1 үеийн цөмийн тоо 20

21 Атомын амьдрах хугацаа цөмийн бүтцээр тодорхойлогдож, хагас задралын үе (t 1/2 ) ээр хэмжигдэнэ. t 1/2 Цацраг идэвхит бодисын тал нь задрахад шаардлагатай хугацаа нь цацраг идэвхит цөм бүрийн ялгааг илэрхийлэх тогтмол хэмжигдэхүүн болдог Ё(Daughter = progeny) нуклидын хооронд тогтох тэнцвэр N 0 = 1 үед, Хоѐр талаас нь сөрөг логарифм авбал, 21

22 Эх нуклид (1)-ын нэгж хугацаанд задарсан цөмийн тоо шинээр үүссэн цацраг идэвхт охин нуклид (2)-ын цөмийн тоотой тэнцүү Эх нуклид (1)-ын нэгж хугацаанд задарсан цөмийн тоо Охин нуклид (2)-ын нэгж хугацаанд задрах цөмийн тоо Цөм 2-ийн үүсэх хурд = Цөм 2-ийн задрах хурд үед тэнцвэр тогтон дараах илэрхийллүүд хүчинтэй болно Задралын эгнээн дэх хоѐр өөр төрлийн цараг идэвх цөмүүд өөр хоорондоо тэдгээрийн хагас задралын үеийн харьцаатай тэнцүү харьцаагаар оршино. 22

23 t 1/2 =10-9 секундээс жилийн хооронд хэлбэлзэнэ. 23

24 Нас тодорхойлох 14 C -ийн арга (Либби 1947): Атмосферийн дээд давхаргад сансрын туяаны нөлөөгөөр 14 C үүснэ t 1/2 = 5720жил Aтмосферийн нүүрстөрөгчийн диоксид үүсэхэд оролцоно Дэлхийн хөгжлийн явцад цацраг идэвхит болон идэвхгүй СО 2 - ийн хооронд тогтмол тэнцвэрт харьцаа тогтоно. 14 СО 2 12 СО 2 Амьд организм үхэж бодисын солилцоо зогсоход, цацраг идэвхит задралын улмаас 14 C-ийн агуулга буурдаг. 1: Formation of carbon-14 2: Decay of carbon-14 3: The equation is for living organisms, and the inequality is for dead organisms, in which the 14 C then decays. Жишээ: Үхсэн далайн дунгийн хуягны нимгэн хуудасны хэлтэрхий дэх 14 С/ 12 С ын харьцаа байжээ. Хэдэн жилийн өмнө амьдарч байсан дунгийн яс болохыг тогтооѐ. 24

25 t 1/2 = 5720 жил 14 С/ 12 С = N 0 = 12 С N = 14 С N / N 0 = N = N 0 25

26 Битүү тогтолцоонд: N o цацараг идэвхт эх нуклидын тоо N задралд ороогүй байгаа эх нуклидын тоо Р задралын бүтээгдэхүүн охин нуклидын тоо N o = N + P 26

27 5. ЦӨМИЙН УРВАЛ Цөмийн урвалын үед атомын электрон бүрхүүлд биш цөмд өөрчлөлт орно. Ийм урвалын энергийн өөрчлөлт химийн урвалынхаас ойролцоогоор 106 дахин их болж массын өөрчлөлт хэмжигдэхүйц хэмжээнд хүрдэг. Энд масс энергийн эквивалентын хууль биелэгдэнэ. E = mc 2 27

28 Цөмийн урвал: Химийн элементийн атомын цөм өөрчлөгдөх урвал. Цөмийн хими судална. Цөмийн урвал: Тодорхой химийн элементийн атомын цөмтэй нейтрон, протон, бөөм зэрэг эгэл хэсгүүд харилцан үйлчилж өөр элементийн атом үүсгэх задрах урвал онд Э.Резерфорд, азотын атомыг бөөм бөмбөгдөхөд завсрын шатандаа фтор үүсгэн хүчилтөрөгчид шилжих анхны цөмийн урвалыг явуулсан N 2He ( α) 9F 8O 14 7N ( α, p) O 1 1 H (p) Цөмийн урвалын хураангуй тэгшитгэл: Эх болон бүтээгдэхүүн атомын дунд бага хаалтан дотор бөмбөгдөж байгаа эгэл хэсэг, бүтээгдэхүүн эгэл хэсгийг бичнэ Халуун цөмийн урвал = цөмийн нийлэгжих урвал: Энгийн атомын цөмөөс илүү нийлмэл атомын цөмийг гарган авна. Жишээ нь: Халуун цөмийн урвалаар устөрөгчийн цөмөөс гелийн цөмийг гарган авдаг 4 H He + β Ạº ì Нэг грамм устөрөгч урвалд ороход 644 сая кж дулаан ялгардаг. Энэ нь устөрөгчийн шатах урвалаас 13 сая дахин их энерги байдаг. 28

29 1939 онд нээгдсэн ураны атомын цөмийг нейтроноор шарж задлах урвал удирдлагат цөмийн урвалын эхлэлийг тавьсан U 0n 36Kr 56Ba n Q = кж/моль 1 кг уран задрахад кж дулаан буюу 2 сая кг сайн чанарын чулуун нүүрс шатах хэмжээний дулаан үүснэ. Урвалын дүнд шинээр 2 3 нейтрон үүсч тэдгээр нь цааш цөмийг задлах урвалд оролцож эхэлдэг. 29

30 Гинжин урвал: цөмийн урвалын бүтээгдэхүүн цөмийг задлах урвалд орох замаар цааш үргэлжлэх цөмийн урвал. Гинж үүсэлтийг хянан залаагүй тохиолдолд урвал агшин зуурт тэсрэл байдлаар явагдана. Хяналтгүй гинжин урвалын механизмаар атомын бөмбөг дэх урвал явагддаг. Удирдлага бүхий цөмийн задрах урвал цөмийн реакторт явагдаж, хүний хэрэгцээнд зориулсан энерги үйлдвэрлэн өөр элементийн цацраг идэвхт изотопуудыг гарган авахад хэрэглэгдэнэ. Нейтрон шингээгч: Cd, C, B, H 2 O 30

31 Цөмийн урвалыг залж шинэ химийн элемент, янз бүрийн цацраг идэвх изотопуудыг гарган авах судалгаа дэлхийн цөм болон сансрын орон зайд болох үзэгдлийн шалтгаан, химийн элементийн байгаль дээрх тархалт, үүсэл, хувиралын мөн чанарыг тайлбарлах боломж олгодог сая о С температур бүхий оддын гадрагад устөрөгч гелийд шилжих халуун цөмийн урвал явагддаг тул нар болон бусад одод улайссан хайлмал байдалд оршино. 150 сая о С температур бүхий одод дээр гели илүү тогтвортой нүүрстөрөгч, хүчилтөрөгч, неон, магни, хүхэр, аргон, кальцийн изотопууд үүсгэх халуун цөмийн урвал явагддаг байна. 4 Элементийн цөм үүсэх урвал асар өндөр температур бүхий оддын гадрага, дэлхийн цөм, хүчтэй цахилгаан соронзон орон бүхий оддын атмосферт болдог. He , Be, C, O, Ne, Mg 31

32 Хамгийн хүнд элементүүд болох торий, уран болон трансуранийн элементийн атом үүсэх урвал хэт шинэ одод дээр явагдана. 4 тэрбум о С хүртэл температурыг ялгаруулдаг тул хурц цагаан болон цагаан цэнхэр өнгөөр гэрэлтэн харагдана Нарны аймгийн гаригуудын гадарга хангалттай өндөр температуртай байж чаддаггүй тул халуун одод дээрх шиг халуун цөмийн урвалууд явагддагггүй. Дэлхий дээр химийн элементийн цацраг идэвхт задрал идэвхтэй явагддаг тул элементийн изотопийн найрлага байнга өөрчлөгддөг. Дэлхийн гадрагад прометий (Pm), франций (Fr), нептуни (Np), плутони (Pu), технеций (Tc) маш бага хэмжээгээр агуулагдаж байдаг. Энэ нь, эдгээр элементүүд сансрын туяаны нөлөөгөөр цөмийн урвад хялбархан ордог мөн тогтворгүй, амархан задардагтай холбоотой. Одоогоор дэлхий дээр 300 гаруй тогтвортой цөм, 1400 гаруй цацраг идэвхит цөм бүртгэгдээд байна. 32