穩(wěn)定同位素

在元素周期表中，原子序數(shù)相同，原子質(zhì)量不同，化學(xué)性質(zhì)基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素。

簡(jiǎn)介

地球上已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素共274種，原子序數(shù)在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。常用的有34種，已實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)的穩(wěn)定同位素及化合物有重水、6Li、10B。

是重要的核工業(yè)材料或作示蹤原子。含穩(wěn)定同位素最多的元素是錫，它有10種穩(wěn)定同位素。在分析中應(yīng)用于光譜分析，核磁共振分析，密度分析，氣相色譜分析，質(zhì)譜分析，中子活化分析，紅外光譜分析，氣相色譜-質(zhì)譜分析，稀釋分析等。

特點(diǎn)

某元素中不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同位素。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁分析器發(fā)現(xiàn)天然氖是由質(zhì)量數(shù)為20和22的兩種同位素所組成，第一次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素。1919年阿斯頓制成質(zhì)譜儀（見質(zhì)譜法），并在71種元素中發(fā)現(xiàn)了 202種核素，絕大多數(shù)是穩(wěn)定的；后來(lái)又利用光譜等方法發(fā)現(xiàn)了氧、氮等元素的穩(wěn)定同位素。已知有81種元素有穩(wěn)定同位素，穩(wěn)定核素的總數(shù)為274種（包括半衰期>1015年的放射性核素）。

穩(wěn)定性

通常以原子核的比結(jié)合能（每個(gè)核子的平均結(jié)合能）ε=EB/A作為穩(wěn)定性的量度；EB為核的結(jié)合能，A為核子數(shù)。ε越大，體系的能量越低，也就越穩(wěn)定。

自然界中，質(zhì)子數(shù)Z的穩(wěn)定范圍在1～83，例外的是沒(méi)有Z=43、61的穩(wěn)定核素。A的穩(wěn)定范圍在1～209, 但沒(méi)有A=5、8的穩(wěn)定核素。中子數(shù)N的穩(wěn)定范圍在0～126,其中沒(méi)有N=19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的穩(wěn)定核素。

將自然界存在的核素以N(N=A-Z)為縱坐標(biāo),Z為橫坐標(biāo)作圖（圖1）,可見核素分布在一條很窄的帶上。在輕核部分，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等或非常接近，當(dāng)Z>20，即從鈣以后,N>Z,窄帶明顯的偏離N=Z的直線而向上發(fā)散，至Z=83，中質(zhì)比為 1.52，以后就沒(méi)有穩(wěn)定核素。這說(shuō)明核的穩(wěn)定性與中質(zhì)比值有關(guān)，穩(wěn)定核素的中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有近似的對(duì)稱關(guān)系，而在穩(wěn)定帶以外的核都是放射性的。這就是核穩(wěn)定性的對(duì)稱規(guī)則。

核素的穩(wěn)定性還與核子數(shù)的偶奇性有密切聯(lián)系。Z為偶數(shù)的元素比Z為奇數(shù)的元素有多得多的穩(wěn)定同位素,而且偶Z和偶N的占大多數(shù)。事實(shí)上,奇Z的元素最多只有兩個(gè)穩(wěn)定同位素，而且它們幾乎常是偶N的。對(duì)Z為偶數(shù)的元素，除元素鈹(Z=4)外,至少有2個(gè)穩(wěn)定同位素，最多如元素錫，達(dá)到10個(gè)穩(wěn)定同位素，而其中偶Z和奇N的核除錫有三個(gè)外，一般只有一個(gè)或兩個(gè)穩(wěn)定同位素。這就是核穩(wěn)定性的偶-奇規(guī)則，也即奧多-哈金斯規(guī)則。

組成

元素的同位素組成常用同位素豐度表示，同位素豐度是指一種元素的同位素混合物中，某特定同位素的原子數(shù)與該元素的總原子數(shù)之比。在天然物質(zhì)中，甚至從地球外來(lái)的像隕石之類的物質(zhì)中,大多數(shù)元素,特別是較重元素的同位素組成具有明顯的恒定性。但由于在自然條件下進(jìn)行的多種物理、化學(xué)和生物等作用，對(duì)于同位素，特別是輕元素的同位素起著不斷的分離作用；另外，放射性衰變或誘發(fā)核反應(yīng)，使某些元素的同位素還在繼續(xù)產(chǎn)生或消滅。因而,隨樣品來(lái)源環(huán)境的變遷,使元素的同位素組成又在某一范圍內(nèi)漲落。一般，水中氫的氘含量，雪水的較小，河水比海水的低，而內(nèi)陸鹽湖、油田水及死海水等則比海水的要高。大氣中氧的氧18含量比地表淡水中的高。甚至像硫那樣稍重的元素中，硫34與硫32比值的變化也高至 7%。又如元素鉛的穩(wěn)定同位素中,鉛206、鉛207和鉛208分別產(chǎn)生于鈾、錒和釷三個(gè)放射性衰變系,所以鈾礦中鉛的相對(duì)質(zhì)量(206.1)不同于釷礦中鉛的相對(duì)質(zhì)量(207.8)。氦同位素組成的變化也是很大的，大氣中的氦3與氦4的相對(duì)含量比天然氣中大一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多，這是由于前者是核反應(yīng)的產(chǎn)物。

在Z小于28的元素中,往往有一種同位素在豐度上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而其余同位素豐度很低。在Z為28以后,同位素的豐度趨向均勻。Z為偶數(shù)的元素中,豐度最大的同位素是偶N的，最輕和最重的穩(wěn)定同位素也是偶N的，且偶N的同位素豐度總和占70%以上，而奇N的同位素豐度總和卻不超過(guò)30%。

絕對(duì)豐度是指地球上各元素或核素存在的數(shù)量比，也稱元素豐度，對(duì)宇宙而言叫宇宙豐度（實(shí)際是指人們觀測(cè)到的那部分宇宙）；一般定硅的豐度為 106作基準(zhǔn)，后來(lái)改用以氫的豐度為 1012作基準(zhǔn)。元素或核素的絕對(duì)豐度對(duì)Z或A的曲線叫分布曲線，如圖2所示。由圖可見，元素的豐度隨Z的增長(zhǎng)而急劇下降, 從Z=1至Z=50,下降近10個(gè)數(shù)量級(jí)；而對(duì)于Z 較高的元素，下降較緩慢,最多為3個(gè)數(shù)量級(jí)。還可看出，Z為偶數(shù)的元素豐度普遍大于Z為奇數(shù)的元素豐度，地球和隕石物質(zhì) 90%以上是由Z為偶數(shù)的元素構(gòu)成。另外,從同位素在地殼中分布的數(shù)據(jù)可知，分布最廣的穩(wěn)定同位素是偶Z和偶N的同位素。在研究核穩(wěn)定性和核素分布情況時(shí)還發(fā)現(xiàn)，中子或質(zhì)子數(shù)為2、8、20、28、50、82和 126等的原子核具有特殊的穩(wěn)定性和較大的豐度，這些數(shù)值叫做幻數(shù)，元素豐度圖上的高峰處一般就為幻數(shù)核。

研究元素的同位素組成有很大的理論意義，元素的同位素組成是極為穩(wěn)定的，對(duì)原子核原始形成過(guò)程的研究，這是個(gè)罕有的定量證據(jù)。

分析方法

同位素分析通常是指樣品中被研究元素的同位素比例的測(cè)定。它是同位素分離、同位素應(yīng)用和研究中不可缺少的組成部分。

質(zhì)譜法 是穩(wěn)定同位素分析中最通用、最精確的方法。它是先使樣品中的分子或原子電離，形成各同位素的相似離子，然后在電場(chǎng)、磁場(chǎng)的作用下，使不同質(zhì)量與電荷之比的離子流分開進(jìn)行檢測(cè)。若用照相底板攝像檢測(cè),則稱質(zhì)譜儀。將離子流收集在法拉第杯電極上,并用靜電計(jì)測(cè)量電流，以能使儀器自動(dòng)連續(xù)地接收不同荷質(zhì)比的離子，這樣的儀器稱為質(zhì)譜計(jì)。這兩種儀器不僅能用于氣體，也可用于固體的研究。質(zhì)譜計(jì)能用于幾乎所有元素的穩(wěn)定同位素分析。

隨著高分辨質(zhì)譜計(jì)的發(fā)展，可以根據(jù)質(zhì)量的測(cè)定來(lái)確定被分析樣品（如標(biāo)記化合物）的化學(xué)式，從而進(jìn)行物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的分析。如在樣品引入部分加上氣相色譜裝置，組成色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀，更可直接分析復(fù)雜的混合物樣品。

核磁共振法 是穩(wěn)定同位素分析的另一重要方法。由于構(gòu)成有機(jī)體主要元素的穩(wěn)定同位素氘、碳13、氮 15、氧17和硫33等的核自旋量子數(shù)均不為零，在外磁場(chǎng)的作用下,這些原子核都會(huì)象陀螺一樣進(jìn)動(dòng),若此時(shí)在磁場(chǎng)垂直方向加上一個(gè)射頻電場(chǎng)，當(dāng)其頻率與這些原子核進(jìn)動(dòng) 頻率相同時(shí)，即出現(xiàn)共振吸收現(xiàn)象,核自旋取向改變,產(chǎn)生從低能級(jí)到高能級(jí)的躍遷；當(dāng)再回到低能級(jí)時(shí)就放出一定的能量，使核磁共振能譜上出現(xiàn)峰值，此峰的位置是表征原子核種類的。磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定時(shí)，根椐共振時(shí)的射頻電場(chǎng)頻率，可以檢出有機(jī)體樣品中不同基團(tuán)上的同位素，根據(jù)峰高,還可測(cè)定含量,但由于其測(cè)定靈敏度較低，一般不作定量分析用。核磁共振分析與同位素示蹤技術(shù)相結(jié)合，在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域已成為很有用的工具。

光譜法 利用紅外振動(dòng)光譜中同位素取代引起的譜線位移，可測(cè)定氫化合物中的氘含量。原子吸收、發(fā)射光譜等可用于氮等同位素分析,甚至可作鈾235濃度的中等精度測(cè)定。但對(duì)質(zhì)量數(shù)較大的同位素，由于其位移值較小，應(yīng)用受到一定限制。

氣相色譜法 可用于氫、氮、氧等的同位素分析，是一種簡(jiǎn)單、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。用這些方法測(cè)得的是總密度變化，如果水中的氧18含量不同于天然含量，則必須借助質(zhì)譜法測(cè)得其氧18的真實(shí)含量，并換算成密度增值，從水的總密度中扣除。

中子活化分析 也是一種穩(wěn)定同位素的有效分析方法。

分離和應(yīng)用

大多數(shù)元素是其同位素的混合物，將其彼此分離（或部分分離）是一種特殊的精密分離──同位素分離。其中氘、鋰 6是重要的核燃料。各種純的穩(wěn)定同位素成為核物理學(xué)和核化學(xué)研究的材料。氫、氮、碳、氧、硫等輕元素的穩(wěn)定同位素則廣泛作為示蹤原子，用于研究化學(xué)和生物化學(xué)的各種過(guò)程和機(jī)理，以及分子的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等重要問(wèn)題。