Przyglądamy się bliżej Argonowi

Nigdy nie przestaje mnie zadziwiać, jak głupi mogę być!

Spędziłem właśnie trzy lata, wykonując wszelkiego rodzaju precyzyjne pomiary gazu argonowego, ale wystarczyła przypadkowa uwaga Andrew Marmary’ego w krótkim filmie na kanale RI, by zwrócić moją uwagę na prosty, zadziwiający fakt: atomy argonu – z 18 protonami w każdym jądrze – są średnio cięższe od atomów potasu, które mają o jeden proton więcej w każdym jądrze. To prosty fakt, który kryje w sobie niezwykłą historię!

Względna masa atomów każdego pierwiastka jest podana w tabeli na końcu tego artykułu i pokazana jako wykres na górze strony. Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze każdego atomu, a względna masa atomowa to – w dużym przybliżeniu – łączna liczba neutronów i protonów w jądrze. Na przykład, atom wodoru ma 1 proton i żadnych neutronów, a jego względna masa atomowa wynosi 1. Atomy helu mają 2 protony i 2 neutrony, a ich względna masa atomowa wynosi 4. Wykres pokazuje, że atomy z większą liczbą protonów w jądrze mają tendencję do posiadania około jednego dodatkowego neutronu na każdy dodatkowy proton – ale nie dokładnie jednego. Zauważ, że względne masy atomowe nie leżą dokładnie na czerwonej przerywanej linii, ale trochę się „wahają”. A niektóre atomy, takie jak chlor – z 17 protonami – mają względną masę atomową 35,45, która nie jest bliska liczby całkowitej. Czy jądro chloru zawiera ułamek neutronu? Nie. Ale żeby to zrozumieć, musimy poznać izotopy

Nawet czyste pierwiastki zawierają atomy o różnej liczbie neutronów. Naturalnie występujący chlor, na przykład, ma dwa izotopy, oba z 17 protonami, ale jeden z nich ma 18 neutronów i masę względną około 35, a drugi ma 20 neutronów i masę względną około 37. Pierwszy typ przeważa nad drugim w przybliżeniu 3 do 1, więc średnia masa atomów chloru wynosi w przybliżeniu 35,5.

A co z argonem? Czy on też ma izotopy? Tak. Argon w atmosferze ma trzy izotopy, wszystkie z 18 protonami – ale jeden typ (zwany 36Ar) ma 18 neutronów i względną masę około 36; drugi typ (zwany 38Ar) ma 20 neutronów i względną masę około 38, a ostatni i najbardziej powszechny typ (zwany 40Ar) ma 22 neutrony i względną masę około 40. Pomiary wykonane przez moich kolegów ze Scottish Universities Environmental Research Centre wykazały, że w normalnym argonie jest około 300 razy więcej 40Ar niż 36Ar – a 38Ar jest jeszcze rzadszy. To dlatego średnia masa atomowa jest niewiele mniejsza niż 40.

Zaskakującym faktem jest to, że gdybyśmy dokonali tego pomiaru 4 miliardy lat temu, gdy formowała się Ziemia, lub gdybyśmy dokonali pomiaru na gazie argonowym z innej planety – otrzymalibyśmy inną odpowiedź – odpowiedź znacznie bliższą 36. Dzieje się tak dlatego, że „naturalny” argon to w rzeczywistości 36Ar. Jeśli ponownie wykreślimy dane doświadczalne z początku strony, ale z masą 36Ar dla argonu zamiast wartości doświadczalnej, zobaczymy, że punkt zgrabnie mieści się na linii.

Skąd więc wziął się cały 40Ar? Odpowiedź jest taka, że pochodzi on z rozpadu promieniotwórczego potasu-40 (40K). Większość potasu na Ziemi ma 20 neutronów (39K), co daje potasowi masę względną zbliżoną do 39. Istnieje jednak niewielka ilość potasu z 22 neutronami (41K), co daje potasowi masę względną nieco większą niż 39. Dodatkowo istnieje jeszcze mniejsza ilość potasu z 21 neutronami (40K), a izotop ten jest radioaktywny i rozpada się na 40Ar z okresem połowicznego zaniku wynoszącym około 1,2 miliarda lat. Tak więc w ciągu 4 miliardów lat historii Ziemi około 90% naszego oryginalnego daru 40K rozpadło się na 40Ar

W Układzie Słonecznym argon jest faktycznie bardziej powszechny niż potas, ale na Ziemi potas jest znacznie bardziej obfity niż argon. I tak, mimo że (40K) stanowi niewielki ułamek atomów potasu na Ziemi – jest go tak dużo (około 1/500 części Ziemi wagowo), że 40Ar pochodzący z rozpadu promieniotwórczego 40K jest obecnie dominującym izotopem argonu na Ziemi.

Więc wykres na początku strony wydaje się niemy, ale jeśli ktoś potrafi odczytać dane i dostrzec wzorce, odkrywa, że wykres mówi wiele. Mówi o historii Ziemi i o narodzinach pierwiastków w okresie śmierci gwiazd (Nukleosynteza). Wow! I jak mogłem tego nie zauważyć?

Dane poniżej zaczerpnąłem z Wikipedii, więc wiem, że muszą być poprawne 🙂