淺談同位素的性質(zhì)及在水文中的應(yīng)用

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1、淺談同位素的性質(zhì)及在水文中的應(yīng)用［摘要］介紹了同位素的性質(zhì)、分餾、衰變以及測量原理。并且闡述同位素的衰變性質(zhì)極其緯度、陸地、季節(jié)、高程效應(yīng)在水文中的應(yīng)用。［關(guān)鍵詞］同位素水文中圖分類號：TU857文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-914X(2016)28-0168-011.同位素概述同一元素的原子核屮包含不同屮子數(shù)的元素稱為同位素(osiopots=在元素周期表中具有同一位置)。很多元素具有兩個或兩個以上穩(wěn)定同位素。一般說來，原子核具有偶數(shù)個的質(zhì)子和/或中子數(shù)是較穩(wěn)定的。具有這種魔術(shù)數(shù)的序列數(shù)字2，

2、8,20,28,50,82,和126的核素，具冇相對較高的穩(wěn)定性和較高的自然界含量。這些魔術(shù)數(shù)字可以用原子的殼層結(jié)構(gòu)來解釋，類似于原子外層的電子層，原子核內(nèi)部有封閉的核子殼層。魔術(shù)數(shù)字的一個例子是大序數(shù)的鉛：最大的穩(wěn)定同位素，208Pb(Z=82,N=126)具有兩個魔術(shù)數(shù)字。奇數(shù)-奇數(shù)的原子核特別不穩(wěn)定，在自然界中很少出現(xiàn)。大多數(shù)Z為奇數(shù)的元素僅僅有一個或最多兩個穩(wěn)定同位素。2.同位素的性質(zhì)如前所述，元素的化學(xué)性質(zhì)是由原子序數(shù)所決定的，這表明同位素元素的化學(xué)性質(zhì)是相同的。在自然界中我們觀察到同位素

3、的相對濃度是變化的。這種現(xiàn)象的存在有兩個原因：1）同位素元素的化學(xué)物理性質(zhì)并不完全相同，導(dǎo)致含有同位素的分子的化學(xué)和物理性質(zhì)有微小區(qū)別，最終導(dǎo)致同位素豐度的不同。2）如果同位素是放射性的，則在放射性衰變的過程中同位素分子的濃度逐漸減少，這會使同位素濃度差比1）屮所提到的那種情況更大。研究表明不同物質(zhì)中各種同位素含量不同，有的富含重同位素，有的富含輕同位素，即使是同一種物質(zhì)，例如人氣降水，當(dāng)它所處的環(huán)境不同（如高度、緯度）或狀態(tài)不同（如氣態(tài)、液態(tài)、同態(tài)）時，其中的同位素含量（如D、180）也有差異，有

4、時差別還相當(dāng)大。穩(wěn)定同位素在整個自然界的分布情況和富集程度常用同位素豐度、同位素比值和S值來表示。1.氫、氧同位素化學(xué)元素氫包括兩種穩(wěn)定同位素：氕（1H）和氘（2H或D），其豐度分別約為99.985%和0.015%,同位素比率2H/1H&0.0015。因為同位素之間相對較高的質(zhì)量差異，這種同位素比率的自然含量約為250%。。氧有七種同位素，自然界屮常見的只有三種：160、170、180,它們都是穩(wěn)定同位素，其豐度分別為99.76%、0.035%和0.2%。從嚴格意義上來說，觀測170的濃度幾乎不能為

5、我們提供任何水文信息，相關(guān)的水文信息可以通過研究180的變化獲得，180的豐度較大，具有更準確的可測量性。2.同位素分餾根據(jù)經(jīng)典化學(xué)理論，同位素的化學(xué)特征，更確切地說，由同種元素的不同同位素組成的分子（比如13C02和12C02）的化學(xué)性質(zhì)是相同的。從很大程度上講這是事實。然而，如果測量技術(shù)足夠精確，這種測量技術(shù)用現(xiàn)代化的質(zhì)譜儀，我們會發(fā)現(xiàn)在被稱為同位素分子或化合物的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)之間存在細微的差別。這種同位素之間存在差別的現(xiàn)象叫做同位素分餾。（有些作者把這種現(xiàn)象叫做同位素差異，然而，我們沒有他

6、們偏離于原始解釋的原因）。在將化合物一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)（如由液態(tài)變成氣態(tài)）或?成另外一種化合物（二氧化碳變成植物有機碳）時，同位素成分發(fā)生變化，或在化學(xué)平衡（溶解的重碳酸鹽和二氧化碳之間的平衡）或物理平衡（液體水和水蒸汽）中兩個化合物的同位素成分本身存在差別，則可能發(fā)生了同位素分餾。同位素化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)之間的差別（也就是由同種元素的不同同位素組成的化合物）是原子核的質(zhì)量差別造成的。質(zhì)量差別的結(jié)果有兩方面：1）較重的同位素原子有較低的活動性。分子的動能僅由溫度決定：kT二l/2mv2

7、（k=Boltzmann常數(shù)，T二絕對溫度，分子質(zhì)量，v二分子速度）。因此，如果不考慮同位素含量，分子具有同樣的動能l/2mv2。這意味著質(zhì)量大的分子具有較小的速度，一些實際結(jié)果如下：a）較重的分子有較慢的擴散速度；b）與其他分子的碰撞頻率-化學(xué)反應(yīng)中的主要的現(xiàn)象-對較重的分子來說是較小的;這也就是質(zhì)量輕的分子反應(yīng)速度快的原因2）質(zhì)量大的分子一般具有較大的連接能。兩個分子之間（例如：液態(tài)或晶體，或分子中兩個原子之間）的化學(xué)連接可以用下面的簡單模型表示。兩個粒子間存在相互作用力。一種力為斥力，隨距離的

8、減少而急劇增加（?1A13）。另一種力為吸引力，隨距離的減小緩慢增加（離子晶體間（?l/r2）,不帶電微粒間（?l/r7））。這些力的結(jié)果將使得兩個微粒處于特定的距離。如果一個原子位于坐標(biāo)軸的起始端，另外一個將在能量井中。如果原子獲得足夠的動能來克服凈引力，它將從井中逃逸。這個能量稱為結(jié)合能。一個簡單的例子是蒸發(fā)的熱能。1.同位素測量原理含有同位素的氣體分子進入離子源后被電子轟擊而電離，正離子從電離室中分離出來后經(jīng)高壓E加速。在與紙謝垂直的磁場中不同質(zhì)量的同位素離子被