稳定同位素

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  稳定同位素汉语拼音:Wending tongweisu;英语:Stable isotope),某元素中不发生或极不易发生放射性衰变同位素。1913年J.J.汤姆孙F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然是由质量数为20和22的两种同位素所组成,首次发现了稳定同位素。1919年阿斯顿制成质谱仪,并在50种以上的元素中发现了200多种核素,绝大多数是稳定的;后来又利用光谱等方法发现了等元素的稳定同位素。已知有81种元素有稳定同位素,稳定核素的总数为274种(包括半衰期大于1016年的放射性核素)。

稳定性[编辑 | 编辑源代码]

  通常以原子核的比结合能ε=EB/A作为稳定性的量度;EB为核的平均结合能,A为核子数(质量数)。ε越大,体系的能量越低,也就越稳定。

  自然界中,质子数Z的稳定范围在1~83,例外的是没有Z为43、61的稳定核素。A的稳定范围在1~209,但没有A为5、8的稳定核素。中子数N的稳定范围在0~126,其中没有N为19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的稳定核素。

  核的稳定性与中子与质子比值有关,有近似的对称关系,即核稳定性的对称规则。

  核素的稳定性还与核子数的偶奇性有密切联系。偶Z的元素比奇Z的有多得多的稳定同位素,且偶Z和偶N的占大多数。事实上,奇Z的元素最多只有两个稳定同位素,而且它们几乎常是偶N的。这就是核稳定性的偶–奇规则,也即奥多–哈金斯规则。

组成[编辑 | 编辑源代码]

  元素的同位素组成常用同位素丰度表示,指一种元素的同位素混合物中,某同位素的原子数与该元素的总原子数之比。天然物质中的大多数元素,特别是较重元素的同位素组成具有明显的恒定性。但由于在自然条件下进行的物理、化学和生物等作用,对于同位素,特别是轻元素的同位素起着不断的分离作用;放射性衰变或诱发核反应,使某些元素的同位素还在继续产生或消灭。因而,随样品来源环境的变迁,元素的同位素组成又在某一范围内涨落。

  在Z<28的元素中,往往有一种同位素在丰度上占绝对优势,而其余同位素丰度很低。当Z>28,同位素的丰度趋向均匀。偶Z的元素中,丰度最大的同位素是偶N的,最轻和最重的稳定同位素也是偶N的,且偶N的同位素丰度总和占70%以上,而奇N的同位素丰度总和却不超过30%。

  绝对丰度是指地球上各元素或核素存在的数量比,也称元素丰度,对宇宙而言叫宇宙丰度(能观测到的部分宇宙)。元素的宇宙丰度与Z的关系如图2所示,可见元素的丰度随Z的增长而急剧下降,至Z>50,下降才较缓慢。还可看出,偶Z的元素丰度普遍大于奇Z的元素丰度,地球和陨石物质90%以上是由偶Z的元素构成。另外,从同位素在地壳中分布的数据可知,分布最广的稳定同位素是偶Z和偶N的同位素。在研究核稳定性和核素分布情况时还发现,中子或质子数为2、8、20、28、50、82和126等的原子核具有特殊的稳定性和较大的丰度,这些数值称作幻数,图中的高峰处就是幻数核。

分析方法[编辑 | 编辑源代码]

  同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素组成的测定。

  质谱法 稳定同位素分析中最通用、精确的方法。它是先使样品中的分子或原子电离,形成各同位素的相似离子,然后在电、磁场的作用下,使不同质量与电荷之比的离子流分开进行检测。质谱计几乎能用于所有元素的稳定同位素分析。见质谱法。

  密度法 一般用于水中氢、氧的同位素分析,其中有比重瓶法、落滴法、浮沉子法等,是水中氢、氧的同位素的简易、有效的分析方法。

  气相色谱法 可用于氢、氮、氧等元素的同位素分析。是一种简单、易行的分析方法。见气相色谱法。

  其他如光谱法(如红外光谱法、原子发射光谱法、原子吸收光谱法)、核磁共振法、中子活化分析(见活化分析)等都可用于稳定同位素分析。

分离和应用[编辑 | 编辑源代码]

  大多数元素是其同位素的混合物,需用特殊的精密分离方法才能将其彼此分离(或部分分离)。同位素分离有精馏、电解、化学交换、热扩散、电磁分离等方法。稳定同位素在核能、地质、化学、生物和医学等领域有广泛的应用,如氘、锂-6是重要的核燃料;氢、氮、碳、氧、硫等轻元素的稳定同位素则广泛作为示踪原子。