[科普中國(guó)]-磁同位素效應(yīng)

磁同位素效應(yīng)（Magnetic isotope effect):涉及反應(yīng)物自旋選擇的化學(xué)反應(yīng)過程，如自由基對(duì)的反應(yīng)，稱為磁同位素效應(yīng)。

同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)同位素分析和同位素分離的基礎(chǔ)，是由于質(zhì)量或自旋等核性質(zhì)的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學(xué)性質(zhì)有差異的現(xiàn)象。

基本概念/同位素效應(yīng)編輯由于質(zhì)量或自旋等核性質(zhì)的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學(xué)性質(zhì)有差異的現(xiàn)象。

詳細(xì)內(nèi)涵/同位素效應(yīng)編輯同位素效應(yīng)是同位素分析和同位素分離的基礎(chǔ)。它在化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變的情況下引起物理、化學(xué)常數(shù)的改變，因此能更深入地揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。

對(duì)于氘、重水等重要的輕元素同位素及其化合物的宏觀物理常數(shù)，在20世紀(jì)30年代雖已作了普遍測(cè)定，至今仍不斷補(bǔ)充和修正。50年代測(cè)定了諸如 D2O的鍵長(zhǎng)、鍵角等微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。70年代以來，開始深入到同位素取代異構(gòu)分子的研究。動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)的研究也深入到生命過程的研究中。同位素效應(yīng)可分為光譜同位素效應(yīng)、熱力學(xué)同位素效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)和生物學(xué)同位素效應(yīng)。

光譜同位素效應(yīng)同位素核質(zhì)量的不同使原子或分子的能級(jí)發(fā)生變化，引起原子光譜或分子光譜的譜線位移。核自旋的不同，引起光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化。如果分子中某些元素一部分被不同的同位素取代，從而破壞了分子的對(duì)稱性，則能引起譜線分裂，并在紅外光譜和并合散射光譜的振動(dòng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)新的譜線和譜帶。早期研究中曾通過分子光譜和原子光譜發(fā)現(xiàn)新的同位素和進(jìn)行同位素分析。后來光譜同位素效應(yīng)主要用于研究分子的微觀結(jié)構(gòu)。

熱力學(xué)同位素效應(yīng)同位素質(zhì)量的相對(duì)差別越大，所引起的物理和化學(xué)性質(zhì)上的差別也越大。對(duì)于輕元素同位素化合物的各種熱力學(xué)性質(zhì)已作過足夠精密的測(cè)定。熱力學(xué)同位素效應(yīng)研究中最重要的，是同位素交換反應(yīng)平衡常數(shù)的研究，已在實(shí)驗(yàn)和理論方面進(jìn)行了大量工作。蒸氣壓同位素效應(yīng)也很重要，已可半定量地進(jìn)行理論計(jì)算。熱力學(xué)同位素效應(yīng)是輕元素同位素分離的理論基礎(chǔ)，也是穩(wěn)定同位素化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。

動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)物因同位素取代而改變了能態(tài)，從而引起化學(xué)反應(yīng)速率的差異。1933年G.N.路易斯等用電解水的方法獲得接近純的重水，證實(shí)同位素取代對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率確有影響。
大多數(shù)元素的動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)很小，但對(duì)于氕和氘，動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)較大，它們的分離系數(shù)α=kH/kD可以達(dá)到2～10左右，式中k為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。
早期動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)是用經(jīng)典的碰撞理論來解釋的。1949年J.比格爾艾森建立了動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)理論。在溶液中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，由于溶劑的同位素取代，而產(chǎn)生溶劑同位素效應(yīng)。動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)是分離同位素的重要根據(jù)之一，還可用來研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和溶液理論。

生物學(xué)同位素效應(yīng)1933～1934年，路易斯首先試驗(yàn)了煙草種子在重水中的發(fā)芽情況，發(fā)現(xiàn)隨著重水濃度增高，發(fā)芽速度迅速降低；后來又發(fā)現(xiàn)，蝌蚪、金魚在濃重水中迅速死亡。大麥粒在發(fā)芽時(shí)優(yōu)先吸收輕水，剩液中富集了重水；鋰被酵母吸收后,也可以富集鋰6。以上均表明發(fā)生了同位素的生物學(xué)分離。
在生物學(xué)同位素效應(yīng)中，以氘的效應(yīng)最為顯著。一般認(rèn)為，在重水中生化反應(yīng)速率減慢,對(duì)于大的機(jī)體,重水的作用往往是局部的,從而破壞了整體的代謝機(jī)能,導(dǎo)致病態(tài)以至死亡。

超導(dǎo)體同位素效應(yīng)1950年，麥克斯韋和雷諾茲、塞林同時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的臨界溫度和同位素質(zhì)量有關(guān)系。即同一種元素，所選的同位素質(zhì)量越高，臨界溫度越低。超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)表明，公有化電子向超導(dǎo)電子有序態(tài)轉(zhuǎn)變的過程反映了晶格點(diǎn)陣運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的影響。因此，必須顧及晶格點(diǎn)陣運(yùn)動(dòng)以及公有化電子兩個(gè)方面。這個(gè)發(fā)現(xiàn)給后來的BCS理論很多啟發(fā)。

磁同位素效應(yīng)磁同位素效應(yīng)（Magnetic isotope effect):一些具有選擇原子核自旋的化學(xué)反應(yīng)；其反應(yīng)速度和反應(yīng)物的核自旋及核磁矩有關(guān)；如自由基對(duì)的反應(yīng)，這種反應(yīng)由反應(yīng)物核的自旋量子數(shù)和磁的相互作用所決定，稱為磁同位素效應(yīng)。

原來較為熟悉的經(jīng)典同位素效應(yīng)是由反應(yīng)物的分子開始和轉(zhuǎn)遞狀態(tài)的化學(xué)能為主導(dǎo)，由反應(yīng)物核的質(zhì)量所決定1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)