Chemie

Isotop - Elementar- und Isotopenhäufigkeit

Elementar undIsotopenhäufigkeiten

Die Zusammensetzung eines Objekts kann als Satz von Element- und Isotopenhäufigkeiten angegeben werden. Man kann zum Beispiel von der Zusammensetzung des Ozeans, des Sonnensystems oder der Galaxie in Bezug auf ihre jeweiligen Elementar- und Isotopenhäufigkeiten sprechen. Formal bezeichnet der Ausdruck Elementhäufigkeit normalerweise die Mengen der Elemente in einem Objekt, ausgedrückt relativ zu einem bestimmten Element (oder Isotop davon), das als Vergleichsstandard ausgewählt wurde. Isotopenhäufigkeiten beziehen sich auf die relativen Anteile der stabilen Isotope jedes Elements. Sie werden am häufigsten als Atomprozentsätze angegeben , wie in derTabelle.

Seit den späten 1930er Jahren haben sich Geochemiker, Astrophysiker und Kernphysiker zusammengeschlossen, um das beobachtete Muster der Elementar- und Isotopenhäufigkeit zu erklären. Es hat sich ein mehr oder weniger konsistentes Bild ergeben. Es wird angenommen, dass sich zum Zeitpunkt des Urknalls Wasserstoff, viel Helium und einige Lithiumisotope gebildet haben - die ursprüngliche Explosion, aus der das Universum vermutlich hervorgegangen ist. Der Rest der Elemente stammt direkt oder indirekt von Sternen. Kosmische Strahlung erzeugt einen beträchtlichen Anteil der Elemente mit Massenzahlen zwischen 5 und 10; Diese Elemente sind relativ selten. Eine umfangreiche Evidenz zeigt diesSterne synthetisieren die schwereren Elemente durch Kernprozesse, die gemeinsam als solche bezeichnet werdenNukleosynthese . In erster Linie bestimmt die Nukleosynthese also überall das Muster der Elementhäufigkeit. Das Muster ist nicht unveränderlich, denn nicht alle Sterne sind gleich und sobald Materie aus Sternen entweicht, kann sie verschiedene Prozesse der physikalischen und chemischen Trennung durchlaufen. Ein neu gebildeter kleiner Planet übt beispielsweise möglicherweise nicht genügend Anziehungskraft aus, um die leichten Gase Wasserstoff und Helium einzufangen . Andererseits verändern die Prozesse, die die Elementhäufigkeit ändern, normalerweise die Isotopenhäufigkeit in viel geringerem Maße. So besteht praktisch alles bisher analysierte terrestrische und meteoritische Eisen aus 5,8 Prozent 54 Fe, 91,72 Prozent 56 Fe, 2,2 Prozent 57 Fe und 0,28 Prozent58 Fe. DasIn der Tabelle sind die Isotopenhäufigkeiten der stabilen Elemente und einiger radioaktiver Elemente aufgeführt. Die relative Konstanz der Isotopenhäufigkeiten ermöglicht es, aussagekräftige durchschnittliche Atommassen für die Elemente zu tabellieren. Die Verfügbarkeit von Atommassen ist für Chemiker sehr wichtig.

Während allgemeine Übereinstimmung darüber besteht, wie sich die Elemente gebildet haben, beschäftigt die Interpretation der Element- und Isotopenhäufigkeit in bestimmten Körpern weiterhin die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Sie beziehen ihre Rohdaten aus verschiedenen Quellen. Das meiste Wissen über die Fülle stammt aus dem Studium der Erde, der Meteoriten und der Sonne.

Derzeit akzeptierte Schätzungen von Sonnenhäufigkeiten (im Gegensatz zu terrestrischen) werden hauptsächlich aus zwei Quellen zusammengesetzt. Chemische Analysen von kohlenstoffhaltigen Chondriten des Typs I , einer speziellen Art von Meteoriten, liefern Informationen über alle bis auf die flüchtigsten Elemente, dh über diejenigen, die als Gase vorlagen, die der Mutterkörper des Meteoriten nicht in repräsentativen Mengen einfangen konnte. Die spektroskopische Analyse des Sonnenlichts liefert Informationen über die flüchtigen Elemente, denen Meteoriten fehlen.

In dem Maße, wie die Sonne anderen Sternen ähnelt, haben die Elementar- und Isotopenhäufigkeiten des Sonnensystems eine universelle Bedeutung. Das Sonnensystemmuster weist mehrere bemerkenswerte Merkmale auf. Zunächst werden die leichteren Isotope, die von Wasserstoff und Helium, bilden mehr als 98 Prozent der Masse; schwerere Isotope machen kaum 2 Prozent aus. Zweitens nehmen abgesehen von den unten diskutierten Ausnahmen die Häufigkeiten im Allgemeinen ab , wenn A oder Z durch das Periodensystem der Elemente zunimmt . Beispielsweise enthält das Sonnensystem insgesamt etwa eine Million Mal mehr Kohlenstoff , Stickstoff und Sauerstoff als die viel schwereren Elemente Platin undGold , obwohl die Anteile des letzteren von Objekt zu Objekt stark variieren können. Die Abnahme der Häufigkeit mit zunehmender Masse spiegelt teilweise die sukzessive Natur der Nukleosynthese wider. Bei der Nukleosynthese dient ein Nuklid mit geringerer Masse häufig als Keim oder Ziel für die Herstellung eines Nuklids mit höherer Masse. Da die Umwandlung des Ziels mit niedrigerer Masse in das Produkt mit höherer Masse normalerweise bei weitem nicht vollständig ist, neigen die Häufigkeiten dazu, mit zunehmender Masse abzunehmen. Ein drittes interessantes Merkmal ist, dass stabile Isotope mit einer geraden Anzahl von Protonen und Neutronen häufiger auftreten als Isotope mit ungeraden (die sogenannten)ungerade-gerade-Effekt ). Von den fast 300 bekannten stabilen Nukliden haben nur fünf eine ungerade Anzahl von Protonen und Neutronen; mehr als die Hälfte haben sogar Werte von Z und N . Viertens zeichnen sich unter den Isotopen mit sogar Z und N bestimmte Arten durch ihre beträchtliche nukleare Stabilität und vergleichsweise hohe Häufigkeit aus. Nuklide mit gleicher und gerader Anzahl von Neutronen und Protonen, die „Alpha-Teilchen“ -Nuklide, fallen in diese Kategorie, zu der Kohlenstoff-12, Magnesium- 24 und Argon- 36 gehören. Schließlich treten Peaks in der Häufigkeitsverteilung in der Nähe der oben definierten Sonderwerte von Z und N aufmagische Zahlen . Die hohen Abundanzen manifestieren die zusätzliche Kernstabilität , dass die magischen Zahlen verleihen. Elemente mit erhöhter Häufigkeit umfassen Nickel ( Z = 28), Zinn ( Z = 50) und Blei ( Z = 82).

Das Studium der kosmische Strahlungund des von Sternen emittierten Lichts liefert Informationen über Element- und Isotopenhäufigkeiten außerhalb des Sonnensystems. Kosmische Strahlung sind Atomkerne oder Elektronen mit hoher Energie, die im Allgemeinen von außerhalb des Sonnensystems kommen. Die Sonne erzeugt auch kosmische Strahlen, aber mit viel geringerer durchschnittlicher Energie als diejenigen, die das Sonnensystem von außen erreichen. Das Häufigkeitsmuster in kosmischen Strahlen ähnelt in vielerlei Hinsicht dem des Sonnensystems, was darauf hindeutet, dass die solaren und galaktischen Gesamthäufigkeiten ähnlich sein können. Es wurden zwei Erklärungen vorgebracht, um zu erklären, warum die Häufigkeit von Sonnenstrahlen und kosmischen Strahlen nicht in jeder Hinsicht übereinstimmt. Das erste ist, dass kosmische Strahlen Kernreaktionen eingehen, dh Kollisionen, die ihre Kerne transformieren, wenn sie durch interstellare Materie gehen. Das zweite ist das Material von ungewöhnlichen Sternen mit exotischenKompositionen können in kosmischen Strahlen eine größere Rolle spielen.

Die Bestimmung der Element- und Isotopenhäufigkeit in Sternen der Milchstraße und in weiter entfernten Galaxien wirft erhebliche experimentelle Schwierigkeiten auf. Die Forschung auf diesem Gebiet ist aktiv und zeigt Trends in der Zusammensetzung von Sternen auf, die mit der Nukleosynthesetheorie übereinstimmen. Beispielsweise scheint die „Metallizität“ - oder der Anteil schwerer Elemente - in Sternen mit dem Alter der Sterne zuzunehmen. Darüber hinaus sind viele Sterne mit Zusammensetzungen bekannt, die sich stark von denen des Sonnensystems unterscheiden. Ihre Existenz hat einige Forscher zu Zweifeln veranlasst, ob das Konzept der kosmischen Fülle im Gegensatz zum Sonnensystem von Bedeutung ist. Für den Augenblick reicht es vielleicht aus, den amerikanischen Astrophysiker zu zitierenJames W. Truran:

The local pattern of abundances is generally representative. The gross abundance features throughout our galaxy, in other galaxies, and even apparently in quasars are generally similar to those of solar system matter, testifying to the fact that the underlying stellar systems share the same nucleosynthetic processes.