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年汤姆孙和阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为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，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氧、氮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）。

稳定性。通常以原子核的比结合能（每个核子的平均结合能）ε＝E_B/A作为稳定性的量度；E_B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，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，即从钙以后，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；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，水中氢的氘含量，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。甚至像硫那样稍重的元素中，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分别产生于铀、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。

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。

核磁共振法。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、碳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。