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ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen.

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Präsentation zum Thema: "ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen."—  Präsentation transkript:

1 ISOTOPE Stabile Isotope und Radioisotope: Messtechnik und Anwendungen

2 Isotope Atombau ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e - -> 6 C Definition des chemischen Elements Elektronen (e - ) Protonen (p)

3 Isotope Atombau ORDNUNGSZAHL 6 p, 6 e - -> 6 C Definition des chemischen Elements Definition des Isotopes Elektronen (e - ) Protonen (p) Neutronen (n) MASSEZAHL 6 p -> 6 C 6 n -> 12 C 7 n -> 13 C 8 n -> 14 C

4 Isotope Stabile versus Radioisotope Die Halbwertszeiten „stabiler“ Isotope sind nicht meßbar d.h. >10 9 Jahre. Unterschied zwischen stabilen und instabilen Isotopen ist abhängig vom Verhältnis p : n. Instabile Isotopen gehen unter Kernumwandlungen zu stabileren Kernen unter Abgabe charakteristischer Kernstrahlung über.

5 Karlsruher Nuklidkarte

6 Ausschnitt

7 Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung  -Strahlung  -Teilchen sind Helium-Kerne, die Energie im Bereich von MeV beinhalten  -Zerfall verläuft nach dem Schema geringe Reichweite; z.B. Pu, Rn Z Z-2 2  A X A-4 Y + 4 He

8 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung   -Strahlung   -Teilchen Elektronen, die Energie im Bereich von keV bis MeV beinhalten   -Zerfall verläuft nach dem Schema mittlere Reichweite, Energieverteilung z.B. 3 H, 14 C, 32 P A X A Y + (Antineutrino + e - ) Charakteristische Kernstrahlung Z Z+1 

9 Charakteristische Kernstrahlung 3 Hauptarten von ionisierender Kernstrahlung  -Strahlung  -Strahlung tritt bei Abkühlungsprozessen angeregter Kerne auf, wobei sich Nuklidzusammensetzung nicht mehr ändert (0.1 bis 10 MeV) elektromagnetische Strahlung (Photonen) hohe Reichweite distinkte Energiebanden !

10 Messung der Kernstrahlung Messprinzipien Ionisationsdetektoren (    ) Ionisationskammer Proportionalzählrohr Auslösezählrohr (Geiger-Müller)

11 Messung der Kernstrahlung Messprinzipien Ionisationsdetektoren (    )

12 Messung der Kernstrahlung Ionisationsdetektoren (    ) Ionisationskammer Proportionalzählrohr Auslösezählrohr (Geiger-Müller)

13 Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Flüssigszintillatoren

14 Messung der Kernstrahlung Messprinzip Szintillationszählung Feststoffszintillatoren

15 Vorkommen stabiler Isotope Leichte Elemente Elem.IsotopDeltaReferenzmaterial H 1 H, 2 H (D)  DSMOW C 12 C, 13 C  13 CV-PDB N 14 N, 15 N  15 Nat-air O 16 O, 17 O, 18 O  18 OSMOW S 32 S, 33 S, 34 S, 36 S  34 SCD SMOWStandard Mean Ocean Water V-PDBVienna Pee Dee Belemnite at-airN 2 in atmospheric air CDTCanon Diablo Meteorite

16 Referenzmaterialien z.B. Vienna Pee Dee Belemnit

17 Häufigkeit stabiler Isotope

18 Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit  X -Wert = (R Probe /R Standard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwer X / leicht X Angabe der natürlichen Häufigkeit stabiler Isotope also als relative Abweichung der absoluten Isotopenverhältnisses der Probe von einem international anerkannten Standard in ‰

19 Angabe stabiler Isotope Natürliche Häufigkeit  X -Wert = (R Probe /R Standard - 1) x 1000 R = absolutes Verhältnis schwer X / leicht X Markierung at% schwer X = schwer X / ( schwer X + leicht X) x 100 APE = at% Probe - at% Kontrolle

20 Abundanz stabiler Isotope at% 15 N at% 13 C

21 Ursachen der isotopischen Zusammensetzung von Materialien Input Quelle Output Verlust Transformationen Diskriminierung + biochemisch + physikalisch

22 Angaben stabiler Isotope Diskriminierung Die Diskriminierung  beschreibt den Isotopeneffekt einer Reaktion(Sequenz, Organismus)  =  X Substrat -  X Produkt

23 Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte  kin = leicht k / schwer k Isotopisch schwerere Moleküle reagieren langsamer als leichtere. Nicht additiv. Bindungsstärke massereicherer Substanzen ist höher, mehr Energie notwendig diese Bindungen aufzubrechen. leicht A  leicht B schwer A  schwer B leicht k schwer k

24 Isotopeneffekte IE`s Kinetische Isotopeneffekte  kin = leicht k / schwer k Enzymatische Reaktionen diskriminieren häufig gegen das schwerere Isotop eines jeweiligen Paares. Abreicherung der Produkte durchNitratreduktase  = 15‰ Rubisco  = 28‰ PEPCarboxylase  = 2‰ CO 2 Diffusion  = 4‰

25 Ausprägung eines kinetischen Isotopeneffektes Nachlieferung/ Poolgrösse

26 Vorkommen stabiler Isotope Gleichgewichtsisotopeneffekte  equ =  vor /  rück  vor = leicht k vor / schwer k vor ] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen.

27 Vorkommen stabiler Isotope Gleichgewichtsisotopeneffekte  equ =  vor /  rück  = leicht k / schwer k] Summe der kinetischen IEs der Umsetzungsraten für beide Reaktionsrichtungen. Höhere Aktivierungsenergie für Dissoziation isotopisch schwererer Moleküle. Additiv. Anreicherung von 15 N in NH 4 + versus NH 3 (  = -25‰)NH 3 Hydratation von 13 C in HCO 3 - versus CO 2 (  = -8‰)CO 2 Hydratation

28 Messung stabiler Isotope Technische Terme Isotopengehalte Natürliche Häufigkeit (‰) versus Markierungsstudien (at%) Probenaufbereitung zu Gasen Continuos-Flow versus Dual Inlet Analyseebene TrockenmaterialEA-IRMS Substanz-spezifischGC-C-IRMS IntramolekularNMR, Pyrolyse, Offline Präp.

29 Masseunterschiede z.B. Glukose 12 C 6 1 H O 6 (180)  13 C 12 C 5 1 H O 6 (181) Masseunterschied 1/181 Glukose ist nicht flüchtig z.B. Kohlendioxid 12 C 16 O 2 (44)  13 C 16 O 2 (45) Masseunterschied 1/45

30 Messung stabiler Isotope Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie IRMS

31 Messung stabiler Isotope IRMS-Schema

32 Funktionsprinzip des Elementaranalysators

33 Das Interface Schnittstelle zwischen Elementar- analysator und Massenspektrometer

34 Das Herzstück Gasisotopenverhältnis-Massenspektrometer

35 Elektronenstoßionisation N 2 ---> N 2 + m/z N + m/z14 CO 2 --->CO 2 + m/z O 2 + m/z32 CO + m/z28 C + m/z12 CO 2 + (45) 12 C 17 O 16 O, 13 C 16 O 16 O CO 2 + (46) 12 C 18 O 16 O, 12 C 17 O 17 O, 13 C 16 O 17 O etc. Korrektur für O-Isotope notwendig

36 MEMCO Kollektoren Multi-Element Multicollector

37 Der Lauf und Ausdruck Start EA He-Dilution EM-Umstellung

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