동위 원소

고기 후 학자가 과거의 기후와 해양 상태를 알고있는 여러 방법 중 하나는 암석과 화석 표본의 화학적 구성을 사용하는 것입니다. 화학 원소는 몇 개의 양성자, 중성자 및 전자로 구성되어 있음을 기억하십시오. 원소는 동일한 수의 전자와 양성자를 가지므로 전하 균형 (양수도 음수도 아님)을 갖습니다. 그러나 자연의 다양한 화학 반응은 원소가 전자를 얻거나 잃게 만들고 원소는 양전하 또는 음전하를 띠게됩니다. 이런 일이 발생하면 원소는 이온이됩니다. 양이온과 음이온은 각각을 끌어 당겨 고체, 일부 액체 및 일부 기체를 형성합니다. 고체가 물에 용해되면 양이온과 음이온이 분리되어 물을 통해 해리됩니다. 대부분의 암석과 화석 단단한 부분은 이온 화합물로 만들어집니다.

예를 들어, 식염, 염화나트륨은 물에 용해되어 양전하를 띤 나트륨 이온과 음전하를 띤 염화물 이온을 형성합니다. 이것은 수성 (수성) 용액을 형성합니다.

위 방정식에서 (s)는 고체 물질을 나타냅니다. (식용 소금), (aq)는 이러한 이온이 수용액에 용해되었음을 나타냅니다.

화학 원소는 동위 원소라고하는 여러 버전에서 발견됩니다. 동위 원소는 동일한 양의 양성자를 포함하지만 핵의 중성자 수가 다른 원소입니다. 예를 들어, 산소 (O) 원소에는 3 개의 동위 원소가 있습니다 : 산소 16, 17, 18. 산소의 각 동위 원소는 8 개의 양성자를 포함하지만 중성자의 수는 다릅니다. 동위 원소 수는 질량의 약식 표현입니다. 양성자와 중성자는 대략 질량이 같기 때문에 동위 원소의 수는 양성자와 중성자의 합과 같습니다. 따라서 산소 16에는 양성자 8 개와 중성자 8 개, 산소 17에는 양성자 8 개와 중성자 9 개, 산소 18에는 양성자 8 개와 중성자 10 개가 있습니다.

지구 과학자들이이를 해석하는 데 사용하는 두 가지 주요 동위 원소 유형이 있습니다. 고대 지구 : 안정적이고 불안정한 동위 원소. 불안정한 동위 원소는 방사성 붕괴를 경험하여 원소가 시간이 지남에 따라 에너지를 잃게됩니다. 여러 방사성 동위 원소가 자연적으로 발생하며 모두가 나쁘거나 인체에 해를 끼치는 것은 아닙니다. 그러나 고기 후 학자들은 일반적으로 이러한 불안정한 동위 원소를 다루지 않습니다. 대신, 우리는 방사성 붕괴를 겪지 않는 안정 동위 원소를 사용합니다.

지구 과학자들이 사용하는 가장 일반적인 안정 동위 원소 두 가지는 탄소 (C)와 산소 (O)입니다. 여러 유형의 안정 동위 원소가 있지만, 우리는 주로 고기 후학 (특히 해양 연구)에서 매우 흔하기 때문에 플랑크 트 및 저서 유공에서 얻은 탄소와 산소에 대해 이야기하지만 동위 원소에 사용되는 다른 프록시에 대해서도 간략하게 설명합니다. 분석.

탄소 및 산소 동위 원소는 어떻게 얻습니까?

고기 후 학자들은 일반적인 방해석에서 탄소와 산소 동위 원소를 얻습니다. 다양한 탄산 칼슘, 화학식 CaCO3. 이 공식에는 칼슘 (Ca), 탄소 (C) 및 3 개의 산소 원자 (O)의 세 가지 요소가 있습니다. 방해석과 탄산 칼슘은 지구와 바다에서 흔하며 여러 형태를 취할 수 있습니다. 여기서는 동위 원소 분석에 사용되는 가장 일반적인 방해석 유형에 대해 간략히 설명합니다.

방해석은 많은 퇴적암의 구성 요소입니다. 퇴적암이 주로 탄산 칼슘으로 구성 될 때 지구 과학자들은 그것을 석회암이라고 부릅니다. 석회암 암석은 변성암과 화성암에 비해 쉽게 침식됩니다. 탄산 칼슘은 산에 노출되면 용해됩니다. 빗물은 약산성이므로 장기간 비에 노출되면 석회암 암석 (또는 석회암 조각상)이 화학적으로 부식됩니다.

이 경우 석회석에서 용해 된 이온이 운반됩니다. 물에 의해 토양으로 들어가 결국 동굴로가는 길을 찾을 수 있습니다. 여기에서 석회암 이온은 동굴로 떨어지고 종유석과 석순 (일반적으로 동성 체라고 함)의 형태로 새로운 석회암 형성을 형성 할 공간이 있습니다. 동위 원소의 탄소와 산소의 안정된 동위 원소를 분석하기 위해 동굴에서 잘라내어 실험실로 가져가 반으로 자르고 연마합니다.그런 다음 마이크로 드릴을 사용하여 동위 원소 분석을 위해 동위 원소를 따라 정의 된 간격에서 작은 샘플을 드릴합니다.

방해석은 또한 해양 생물이 껍질과 단단한 부품을 만드는 데 사용됩니다. 무척추 동물 (백본이없는 동물)은 적어도 캄브리아기 (약 5 억 5 천만년 전) 이후로 용해 된 방해석 이온을 사용하여 껍질을 만들어 왔습니다. 방해석을 사용하는 일반적인 화석 그룹에는 팔 족류, 삼엽충 및 블라스 토이 드와 같은 고대 극피 동물이 포함됩니다. 성게와 굴과 같은 일부 현존하는 (아직 살아있는) 동물도 방해석으로 골격을 만듭니다. 또한 플랑크 틱 및 저서 유공과 같은 일부 원생 생물은 방해석을 사용하여 테스트를 작성합니다. 방해석을 생성하는 유기체는 껍질에 탄소와 산소의 값을 기록하고 탄소와 산소 동위 원소를 분석 할 수 있습니다.

고생대 암석에서 과학자들은 일반적으로 다른 유형의 화석 인 코노 돈트에서 산소 동위 원소를 얻습니다. . 이 작고 이빨 모양의 화석은 모두 초기의 일부를 대표하는 고대 뱀장어와 같은 유기체로 남아 있습니다. Conodonts는 석회암이 퇴적 된 바다에서이 생물들이 헤엄 치는 석회암 암석에서 흔히 발견됩니다. 그들이 살았던 석회질의 팔 족류와 삼엽충과는 달리, 코노 돈트 치아는 인회석 또는 인산 칼슘으로 만들어지며 화학식은 Ca3O8P2입니다. 이 과학자들은 코노 돈트를 분석하여 산소 동위 원소를 얻을 수 있습니다.

과학자들은 또한 노두에서 직접 채취 한 석회암 샘플을 사용하여 탄소와 산소의 동위 원소를 분석 할 수 있습니다. 이러한 석회석의 탄산염 벌크 샘플을 얻으려면 일반적으로 적절한 석회암 노두를 찾고, 정의 된 간격으로 일부 덩어리를 떼어 낸 다음 샘플을 실험실로 가져가 분석합니다.

탄소 및 산소 동위 원소는 어떻게 측정됩니까?

동위 원소에 대해 적절한 물질 (석회암 샘플, 동위체 또는 화석)이 수집되면 분석시 작은 샘플을 질량 분석기에 넣어 각 샘플 내 탄소 및 산소 동위 원소의 양을 측정합니다. 각 샘플을 바이알에 넣고 모든 바이알을 캐 러셀에 넣습니다 (왼쪽 이미지 참조, 빨간색 화살표가 샘플 캐 러셀을 가리킴). 약 3 방울의 산을 바이알에 넣어 샘플을 용해시켜 측정 할 이온이 포함 된 가스를 생성합니다. 이온은 반응성이 매우 높기 때문에 질량 분석계 내의 측정은 진공 상태에서 이루어집니다. 질량 분석기에는 여러 가지 유형이 있지만 동위 원소를 측정하는 일반적인 방법 중 하나는 자석과 전기장으로 조작하여 구부러진 튜브를 쏘는 것입니다.

요소의 동위 원소는 추가 중성자로 인해 무게가 다르기 때문에 (예를 들어, 18 개의 중성자가있는 산소는 16 개의 중성자가있는 산소 분자보다 무겁습니다) 튜브에서 다른 각도로 편향됩니다. 이온 / 원자가 자석에 의해 굴절되는 정도는 얼마나 무겁습니다. 더 무거운 이온 / 원자 / 분자는 자석이 편향되기 어렵 기 때문에 약간만 회전하는 반면 가벼운 i / a / m은 관성이 적고 회전하기 쉽습니다.

따라서 가벼운 분자는 무거운 분자보다 더 많이 굴절됩니다. 이 정보는 컴퓨터로 전송되어 연구원에게 모든 샘플의 각 동위 원소 양에 대한 데이터를 제공합니다.

질량 분석이 작동하는 방식에 대한 자세한 설명을 보려면 여기를 클릭하십시오. 질량 분석기 내에서 이온이 어떻게 편향되는지에 대한 비디오 데모를 보려면 여기를 클릭하십시오.

고기 후 학자가 탄소 및 산소 동위 원소를 해석하는 방법을 알아 보려면 탄소 & 산소 동위 원소 페이지!