同位素化学

化学的一个分支

同位素化学是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分离、同位素效应和同位素应用的化学分支学科。随着核科学技术的发展，特别是核武器的研制和核电站的发展，更加推动了同位素化学的发展。同位素化学是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分离、同位素效应和同位素应用的化学分支学科。

学科简史

19世纪末,由于电子、X射线和放射性的发现，人类的认识能深入到原子内部。通过对放射性的研究，不仅发现了钋、镭、锕等放射性元素，还从这些放射性元素中分离出30多种新的放射性“元素”，多到周期表中没有可以容纳它们的空位，而且有些放射性不同的新元素在化学性质上完全相同，彼此无法分开，以致在当时引起怀疑：周期表对放射性元素是否适用？通过对这些事实的进一步研究，1913年F·索迪和K.法扬斯同时发现放射性元素位移规律，并提出同位素的概念，从而解决了许多新元素在周期表上的位置问题，并用同位素概念说明了它们之间的依存变化关系。

1913年J.J.汤姆孙和F·W·阿斯顿在用磁分析器研究氖时，发现了氖的两种同位素──氖20和氖22。这是第一次发现稳定同位素。1919年阿斯顿制成质谱仪，随后他在71种元素中，发现了202种同位素,并测定了各同位素的丰度。1920年G·C·de赫维西和L.K.策希迈斯特尔研究了同位素交换反应。1931年H·C·尤里等发现重氢；1933年G·N·路易斯等用电解法制得纯重水；1934年挪威利用其廉价水电能建立了第一座重水工厂。1942年美国建造了电磁分离器并分离出铀235;1943年美国又建立了三座六氟化铀气体扩散工厂生产铀235;1944年美国橡树岭国家实验室首先生产了千克量的铀235,并制造了第一颗原子弹。

重水既是建造反应堆的重要原料，又是热核燃料和热核武器的原料。第二次世界大战后，一些国家竞相研究生产重水的新方法，其中硫化氢双温交换法、液氢精馏法等都实现了工业化生产。

从50年代开始,为了寻找更好的同位素分离方法,不断把科学技术新成就应用到同位素分离技术中。例如，60年代的色谱法和70年代开始的激光法分离同位素的研究，都取得了突破性进展。到80年代中期，世界上用同位素分离法生产的同位素主要有：氘、氚、氦3、锂 6、硼 10、碳13、氮 15、氧18和铀235等。其中,重水的年产量以千吨计。例如，世界上最大的重水生产国加拿大，用双温交换法生产重水，1982年的年生产能力已达4000吨。硼10的世界年产量则以百千克计。随着核科学技术的发展，特别是核武器的研制和核电站的发展，更加推动了同位素化学的发展。

分布

同位素分布规律的研究有以下四个方面：①同位素稳定性规律,研究地球上存在的300多种核素的稳定范围和稳定性规律（见稳定同位素）；②同位素丰度，研究地球物质中各种元素的同位素丰度的一般规律；③地球上同位素分布的涨落，在自然界中，元素不论是游离状态还是化合状态，其同位素组成基本是恒定的，其涨落规律是同位素化学的研究课题之一；④元素的起源和演化，为了弄清宇宙中各种同位素分布规律，就必须研究元素的起源和演化过程。

分离

根据分离原理可分为五类：①根据分子或离子的质量差进行分离，有电磁法、离心分离等方法。②根据分子或离子运动速度的不同进行分离，有孔膜扩散、质量扩散、热扩散、喷嘴扩散、分子蒸馏、电泳等方法。③根据热力学同位素效应进行分离，有精馏、化学交换、气相色谱、离子交换、吸收、溶剂萃取、分级结晶、超流动性等方法。④根据动力学同位素效应进行分离，有电解法、同位素化学交换法、光化学法、激光分离法等。⑤根据生物学同位素效应进行分离。（见同位素分离、铀同位素分离）

分析方法

用于同位素分析的方法有： ①质谱法，是最重要的同位素分析法，不仅精密度高，而且可分析同位素的种类也多。 ②光谱法，用于分析氘的精密度达0.0002%，可与质谱法相比；是分析氮15最方便的方法,已有专门的光谱仪生产;分析铀235和铀238则须用大型光栅摄谱仪。③气相色谱法，用于分析氕、氘，迅速而灵敏，可测全部浓度范围的氘含量。④核磁共振谱法,用于测量浓重水中的微量氕,精密度可达±0.01%，也可用于分析碳13、氮15等同位素。⑤中子活化分析，可用于测定硼10、锂6和铀235等同位素。⑥水的同位素分析，在同位素分析中占有独特地位，这不仅出于控制重水生产流程的需要，也为了解决在同位素地球化学以及其他用氘和氧18示踪的研究工作中的问题。水同位素分析中最有实效的方法是密度法,不仅仪器设备简单,而且测量精度很高，此外还有红外光谱法。

效应

可分为四个研究方面：①光谱同位素效应，因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化，从而引起光谱谱线位移。这一效应不仅用于分析同位素，更重要的是用于研究分子结构。②热力学同位素效应，同位素的质量差别越大，其物理、化学性质的差别也越大，是轻同位素分离的理论基础。③动力学同位素效应,同位素的取代使反应物的能态发生变化,可引起化学反应速率的差异。此效应能用于分离同位素、研究化学反应机理和溶液理论。④生物学同位素效应，在生物学同位素效应中，以氘的效应最为显著，尚未观察到碳13、氮15和氧18等生命重要元素的重同位素有显著的生物学同位素效应。（见同位素效应）。

研究内容

同位素化学的主要研究内容包括同位素的分布、同位素分析、同位素分离、同位素效应。

学科应用

主要是利用化学合成法、同位素交换法和生物合成法等制备标记化合物，以及标记化合物在化学、生物学、医学和农业科学研究中的应用。

学科间区别

同位素化学是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分离、同位素效应和同位素应用的化学分支学科。同位素地球化学是研究地壳中或地表各类岩石、矿物及各种沉积物、大气、水体中同位素含量及变化的学科，根据同位素的种类，主要包括稳定同位素（如碳、氢、氧、氮、硫等）及放射性同位素。同位素由于具有非常高的地质稳定性，已广泛应用于地质年龄的确定、成矿物质的示踪及成矿物质的来源等方面。中国同位素地球化学数据库，以中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学重点实验室、有机地球化学国家重点实验室、岩石学实验室、岩石化学分析实验室及矿床实验室长期积累的各类岩石、矿物、矿石、包裹体、水体、土壤、沉积物及大气样品的碳、氢、氧同位素及铅、铷、锶、钾、氩同位素数据为主要数据源，并收集国内外研究文献而建成。数据库可以实验室这些数据的模糊查询。可以广泛应用于地质年龄确定、矿产资源评估、沉积学、油气、地球化学及环境保护与研究等各个领域。

放射化学是研究放射性物质，及与原子核转变过程相关的化学问题的化学分支学科。放射化学与原子核物理对应地关联和交织在一起，成为核科学技术的两个兄弟学科。放射化学主要研究放射性核素的制备、分离、纯化、鉴定和它们在极低浓度时的化学状态、核转变产物的性质和行为，以及放射性核素在各学科领域中的应用等。20世纪60年代以来，放射化学主要围绕核能的开发、生产、应用以及随之而来的环境等问题，开展基础性、开发性和应用性的研究。

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