Изотопов в природе

Большое число изотопов характерно для элементов с атомными ядрами, имеющими четные значения z (правило Оддо-Гаркинса: распространенность нечетного элемента всегда более низкая, чем распространенность соседнего четного). Особенно велико это число у элементов с ядрами, имеющими магическое число протонов (2, 8, 14, 20, 28, 50, 82).

Различие между массами изотопов данного элемента определяет различную подвижность атомов или молекул, состоящих из разных изотопов, что является причиной их разделения в процессах миграции – перемещений в различных условиях и прохождения через ряд химических реакций. Многочисленные исследования показали, что изотопы одного и того же элемента и их соединения слегка различаются по своим химическим свойствам. Эти различия малы и снижаются у тяжелых элементов по мере увеличения массы изотопов. Но в отдельных случаях они достаточно ощутимы, чтобы вызвать концентрацию и разделение изотопов элементов в природных условиях.

Химические различия изотопов зависят от их термодинамических свойств. Изотопы данного химического элемента ведут себя различно при физических процессах. Разделение (фракционирование) изотопов при геохимических процессах происходит вследствие диффузии, физической абсорбции, растворения, испарения, плавления, дистилляции и кристаллизации, которые вызывают удаление в первую очередь из системы легких изотопов. Сюда относятся также смещение изотопов в магматическом поле и биогенные процессы.

В целом, можно отметить, что в природе фракционирование и перераспределение изотопов особенно отчетливо наблюдается на легких элементах, так как в легких ядрах наиболее сильно сказывается появление каждого нового нейтрона (пример, ряд ₁H¹ - ₁¹D² – ₁²T³). Разделение изотопов в геохимических процессах возможно для всех элементов периодической системы, хотя для тяжелых элементов вероятность разделения мала. До настоящего времени обнаружено разделение изотопов у элементов с массовыми числами от 1 до 90.

Изучение геохимии изотопов позволяет определять возраст минералов, пород, формаций. Для этих целей широко используются изотопные соотношения уран-свинец, калий-аргон, углерод, стронций. Установление условий разделения изотопов в природе может явиться ответом на сложный и важный вопрос об источниках минерального вещества.