稳定同位素 编辑

特别提示:本站内容仅供初步参考,难免存在疏漏、错误等情况,请您核实后再引用。对于用药、诊疗等医学专业内容,建议您直接咨询医生,以免错误用药或延误病情,本站内容不构成对您的任何建议、指导。
在元素周期表中,原子序数相同,原子质量不同,化学性质基本相同,半衰期大于1015年的元素的同位素

目录

简介

编辑

地球上已发现的稳定同位素共274种,原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。常用的有34种,已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重、6Li、10B。

是重要的核工业材料或作示踪原子。含稳定同位素最的元素是,它有10种稳定同位素。在分析中应用于光谱分析,核磁共振分析,密度分析,气相色谱分析质谱分析,中子活化分析,红外光谱分析,气相色谱-质谱分析,稀释分析

特点

编辑

稳定同位素稳定同位素

某元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素。1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质数为20和22的两种同位素所组成,第一次发现了稳定同位素。1919年阿斯顿制成质谱仪(见质谱法),并在71种元素中发现了 202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>1015年的放射性核素)。

定性

通常以原子核的比结合能(每个核子的平均结合能)ε=EB/A作为稳定性的量度;EB为核的结合能,A为核子数。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=43、61的稳定核素。A的稳定范围在1~209, 但没有A=5、8的稳定核素。中子数N的稳定范围在0~126,其中没有N=19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的稳定核素。

将自然界存在的核素以N(N=A-Z)为纵坐标,Z为横坐标作图(图1),可见核素分布在一条很窄的带上。在轻核部分,中子数与质子数相等或非常接近,当Z>20,即从以后,N>Z,窄带明显的偏离N=Z的直线而向上发散,至Z=83,中质比为 1.52,以后就没有稳定核素。这说明核的稳定性与中质比值有关,稳定核素的中子数和质子数有近似的对称关系,而在稳定带以外的核都是放射性的。这就是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。Z为偶数的元素比Z为奇数的元素有多得多的稳定同位素,而且偶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。对Z为偶数的元素,除元素铍(Z=4)外,至少有2个稳定同位素,最多如元素锡,达到10个稳定同位素,而其中偶Z和奇N的核除锡有三个外,一般只有一个或两个稳定同位素。这就是核稳定性的偶-奇规则,也即奥多-哈金斯规则。

组成

元素的同位素组成常用同位素丰度表示,同位素丰度是指一种元素的同位素混合物中,某特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比。在天然物质中,甚至从地球外来的像陨石之类的物质中,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多种物理、化学生物作用,对于同位素,特别是轻元素的同位素起着不断的分离作用;另外,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,使元素的同位素组成又在某一范围内涨落。一般,水中的氘含量,雪水的较小,河水比海水的低,而内陆盐湖、油田水及死海水等则比海水的要高。大气中氧的氧18含量比地表淡水中的高。甚至像那样稍重的元素中,硫34与硫32比值的变化也高至 7%。又如元素铅的稳定同位素中,铅206、铅207和铅208分别产生于、锕和钍三个放射性衰变系,所以铀矿中铅的相对质量(206.1)不同于钍矿中铅的相对质量(207.8)。氦同位素组成的变化也是很大的,大气中的氦3与氦4的相对含量比天然气中大一个数量级或更多,这是由于前者是核反应的产物

在Z小于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。在Z为28以后,同位素的丰度趋向均匀。Z为偶数的元素中,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(实际是指人们观测到的那部分宇宙);一般定硅的丰度为 106作基准,后来改用以氢的丰度为 1012作基准。元素或核素的绝对丰度对Z或A的曲线叫分布曲线,如图2所示。由图可见,元素的丰度随Z的增长而急剧下降, 从Z=1至Z=50,下降近10个数量级;而对于Z 较高的元素,下降较缓慢,最多为3个数量级。还可看出,Z为偶数的元素丰度普遍大于Z为奇数的元素丰度,地球和陨石物质 90%以上是由Z为偶数的元素构成。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,这些数值叫做幻数,元素丰度图上的高峰处一般就为幻数核。

研究元素的同位素组成有很大的理论意义,元素的同位素组成是极为稳定的,对原子核原始形成过程的研究,这是个罕有的定量证据。

分析方法

同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素比例的测定。它是同位素分离、同位素应用和研究中不可缺少的组成部分。

质谱法  是稳定同位素分析中最通用、最精确的方法。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,然后在电场、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。若用照相底板摄像检测,则称质谱仪。将离子流收集在法拉第杯电极上,并用静电计测量电流,以能使仪器自动连续地接收不同荷质比的离子,这样的仪器称为质谱计。这两种仪器不仅能用于气体,也可用于固体的研究。质谱计能用于几乎所有元素的稳定同位素分析。

随着高分辨质谱计的发展,可以根据质量的测定来确定被分析样品(如标记化合物)的化学式,从而进行物质成分和结构的分析。如在样品引入部分加上气相色谱装置,组成色谱-质谱联用仪,更可直接分析复杂的混合物样品。

磁共振法  是稳定同位素分析的另一重要方法。由于构成有机体主要元素的稳定同位素氘、13、氮 15、氧17和硫33等的核自旋量子数均不为零,在外磁场的作用下,这些原子核都会象陀螺一样进动,若此时在磁场垂直方向加上一个射频电场,当其频率与这些原子核进动 频率相同时,即出现共振吸收现象,核自旋取向改变,产生从低能级到高能级的跃迁;当再回到低能级时就放出一定的能量,使核磁共振能谱上出现峰值,此峰的位置是表征原子核种类的。磁场强度恒定时,根椐共振时的射频电场频率,可以检出有机体样品中不同基团上的同位素,根据峰高,还可测定含量,但由于其测定灵敏度较低,一般不作定量分析用。核磁共振分析与同位素示踪技术相结合,在化学、生物学、医药学等领域已成为很有用的工具。

光谱法  利用红外振动光谱中同位素取代引起的谱线位移,可测定氢化合物中的氘含量。原子吸收、发射光谱等可用于氮等同位素分析,甚至可作铀235浓度的中等精度测定。但对质量数较大的同位素,由于其位移值较小,应用受到一定限制。

气相色谱法  可用于氢、氮、氧等的同位素分析,是一种简单、易行的分析方法。

密度法  一般用于水中氘的同位素分析,其中有比重瓶法、落滴法、浮沉子法等。用这些方法测得的是总密度变化,如果水中的氧18含量不同于天然含量,则必须借助质谱法测得其氧18的真实含量,并换算成密度增值,从水的总密度中扣除。

中子活化分析 也是一种稳定同位素的有效分析方法。

分离和应用

大多数元素是其同位素的混合物,将其彼此分离(或部分分离)是一种特殊的精密分离──同位素分离。其中氘、锂 6是重要的核燃料。各种纯的稳定同位素成为核物理学和核化学研究的材料。氢、氮、碳、氧、硫等轻元素的稳定同位素则广泛作为示踪原子,用于研究化学和生物化学的各种过程和机理,以及分子的微观结构与性质的关系等重要问题。