自然界同位素成分变化 同位素有哪些特点？

自然界同位素组成经常呈现一定程度的变化。引起同位素成分变化的主要过程有两类:一类是放射性同位素衰变,使母体同位素的数量随时间的推移逐渐减少,同时子体同位素的数量不断增加;另一类是由各种化学和物理过程引起的同位素分馏,氢、碳、硫、硅、氮等同位素组成变化主要是由同位素分馏引起的。对这两类作用的研究是同位素地球化学的主要任务。

6.1.2.1稳定同位素分馏

轻稳定同位素(Z<20)的相对质量差较大(△A/A≥10%),在自然过程作用中由于这种质量差所引起的同位素相对丰度的变异,称为同位素分馏作用。根据分馏作用的性质和条件可区分如下:

(1)物理分馏:也称质量分馏,同位素之间由质量引起的一系列物理性质的微小的差别,如密度、熔点、沸点等(表6.1),使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异。经过蒸发凝聚循环,H₂O富集在蒸气相中,D₂O更多地残留于水体中。经过多次物理分馏,在一些地区(如高纬度区)大气降水中将形成最轻的水。由于地球重力作用会引起轻重同位素分子的扩散分异,如大气圈高空富集¹⁴N,而低层¹⁵N集中。单向多次反复的物理过程中,同位素质量分馏效应最明显。

表6.1 水和重水的物理性质

(2)动力分馏:含有两种同位素的两类分子时,由于质量不同,它们参加化学反应的活性有差异。质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学键强度。轻同位素形成的键比重同位素的键更易破裂,因此,轻同位素分子的反应速率较高,在平衡共存相间产生微小的分馏,在反应产物中,特别是活动相中更富集轻同位素。如:

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经实验测定K₁/K₂=1.17。

(3)平衡分馏:在化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化,使轻重同位素分别富集在不同分子中而发生的分异叫做平衡分馏,也称同位素交换反应。达到同位素交换平衡时,共存相间同位素相对丰度比值为一常数,称分馏系数α。如:

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在25℃时同位素交换平衡分馏系数α=1.0310。

(4)生物化学分馏:生物活动和有机反应时的同位素分馏效应更强。如植物通过光合作用使21C更多地富集于生物合成有机化合物中。因此生物成因的地质体如煤、石油、天然气等具有最高的w(¹²C)/w(¹³C)值。生物化学分馏是同位素分异作用的重要控制反应。

6.1.2.2 同位素丰度的表示方法稳定同位素丰度的变异通常用R值来衡量和比较,如大气中的φ(¹⁶O)/φ(¹⁸O)比值:

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R值只代表同位素丰度的相对变化。若取某一给定样品的R值为标准,则可测得各地质样品中R值与标准的绝对变差,以δ表示:

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习惯上将微量同位素作为分子。这样就可以从样品的δ值直接看出样品中微量同位素比标准富集和贫化的程度。例如样品的δ>0,表明微量同位素比标准更富集;若δ<0,表明微量同位素相对标准贫化;若δ=0,表明样品与标准具有相同的同位素丰度比。

被选作标准的样品应具备同位素成分均匀、数量大、地质产状有特殊意义及便于采样和同位素成分测定等特点,目前世界通用的同位素标准样品列于表6.2。

表6.2 H、O、C、S同位素国际标准

氧同位素有两种标准,它们之间的换算公式为:

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对于同位素分馏系数,设有同位素平衡分馏反应:

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式中:A、B为含有相同元素的两种分子;a、b为分子系数;1为轻同位素,2为重同位素。则同位素分馏系数α的定义为:

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同位素分馏与其他化学反应不同,作用前后物质的化学成分未发生变化,只是两相间同位素的相对丰度发生了变化。分馏强度和平衡的达成受动力学因素控制。实验证明,△A/A愈大反应前后物态和价态的差异愈大,分馏愈强;缓慢的过程可达到充分的平衡和强的分馏效应,快速反应因不易达到平衡而分馏效应弱。分馏系数α是温度的函数,温度愈低分馏系数愈高,高温条件下,α→1,如反应:

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在0℃时,α=1.064;在23℃时,α=1.059;在327℃时,α=1.014,可见温度升高,α逐渐趋近1。

分馏系数与平衡常数的概念是不相同的,它代表在体系的不同部分同位素丰度的变异关系,同位素交换反应可以达平衡或未达平衡,也可以不是同位素交换反应;它可能只有一个反应,也可能包含几个反应过程。

按平衡常数定义,(6.2)式可改写为:

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分馏系数与平衡常数的关系为:α=Kab/,如果反应中只有一个原子发生同位素交换,则α=K。当α>1,反应向右进行;当α<1,反应向左进行;α=1,无同位素分馏。α值愈偏离1,则同位素分馏愈强。反应的α值可以实验测定,也可以用理论公式计算。地质体中共存相之间同位素分馏系数α可以通过实测两相δ值后用下列公式逼近:

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通常α值接近1,即α=1.00x-1.0x0,数学上可证明:1000lnx≈x,则下式可简化为方便的近似计算式:

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6.1.2.3 放射性衰变

自然界中不稳定核素不断自发地放射出质点和能量、转变成稳定的核素,称为核衰变或蜕变。通常我们把衰变前的核素称为母体(母核),衰变后的核素称为子体(子核)。核衰变的结果使母体同位素不断减少,而子元素同位素不断增加,从而改变母体同位素和子体同位素的成分。核衰变是放射性核素的一种特性,不受任何物理化学条件的影响。

自然界的衰变反应有以下几种:

(1)β-衰变。原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子(即β-质点),β-质点被射出核外,同时放出中微子v。如果以X代表母核,Y代表子核,β衰变的反应通式为:

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式中:Z为原子序数;A为原子量;v为中微子;E为能量。衰变后核内减少一个中子,增加1个质子,新核的质量数不变,核电荷数加1,变为周期表右侧的相邻元素。如:

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衰变前后原子核的总质量不变,因此 又被称为同量异位素。

(2)电子捕获。原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子(多数为K层,故又称K层捕获),与一个质子结合变成一个中子。反应式为:

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衰变产物核质量数不变,核电荷数减1,变为周期表左邻的元素。例如:

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(3)α衰变。重核通过放射出由两个质子和两个中子组成的α质点(即 核对,称四粒子组)而转变成稳定核。衰变反应式为:

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由上式可见新核同位素原子序数减2,质量数减4,在周期表上的位置向左移两格。例如:

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(4)重核裂变。重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片,³⁸²U、³⁵²U和²²Th3等重核都可以发生这类裂变。

自然界中的放射性衰变过程,有时只通过一次衰变就可完成,如:

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但有些放射性同位素的原子核要经过一系列的衰变才能转变为稳定同位素。如²³⁸U、³⁵²U、²³²Th三个放射性的为母体的衰变是一个系列的衰变,它们的衰变过程可分别归纳为:

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在自然界里，各种同位素所占的原子百分率为什么一般是不变~

举个例子，氢有三个同位素氕氘氚，都为稳定同位素。因此自然界总体的氕氘氚占总氢的比例不变。 但是一些放射性同位素所占的比例可能会发生变化。 比如U。常见的有235U，238U（其实很有很多丰度很低的同位素）。这两都为放射性同位素，每时每刻都...

同位素具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学性质几乎相同（氕、氘和氚的性质有些微差异），但原子质量或质量数不同，从而其质谱性质、放射性转变和物理性质有所差异。同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数。
在自然界中天然存在的同位素称为天然同位素，人工合成的同位素称为人造同位素。如果该同位素是有放射性的话，会被称为放射性同位素。每一种元素都有放射性同位素。有些放射性同位素是自然界中存在的，有些则是用核粒子，如质子、a粒子或中子轰击稳定的核而人为产生的。

扩展资料
同位素的起源：
1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称做同位素。不久，就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08，另一种则是208。
1897年英国物理学家J.J.汤姆逊发现了电子，1912年他改进了测电子的仪器，利用磁场作用，制成了一种磁分离器。
当他用氖气进行测定时，无论氖怎样提纯，在屏上得到的却是两条抛物线，一条代表质量为20的氖，另一条则代表质量为22的氖。这就是第一次发现的稳定同位素，即无放射性的同位素。
参考资料来源：百度百科-同位素

同位素地球化学
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