稳定同位素

在元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素。

简介

地球上已发现的稳定同位素共274种，原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有重水、6Li、10B。

是重要的核工业材料或作示踪原子。含稳定同位素最多的元素是锡，它有10种稳定同位素。在分析中应用于光谱分析，核磁共振分析，密度分析，气相色谱分析，质谱分析，中子活化分析，红外光谱分析，气相色谱-质谱分析，稀释分析等。

特点

某元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素。1913年J.J.汤姆孙和F.W.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（见质谱法），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=EB/A作为稳定性的量度；EB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（图1）,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。元素或核素的绝对丰度对Z或A的曲线叫分布曲线，如图2所示。由图可见，元素的丰度随Z的增长而急剧下降, 从Z=1至Z=50,下降近10个数量级；而对于Z 较高的元素，下降较缓慢,最多为3个数量级。还可看出，Z为偶数的元素丰度普遍大于Z为奇数的元素丰度，地球和陨石物质 90%以上是由Z为偶数的元素构成。另外,从同位素在地壳中分布的数据可知，分布最广的稳定同位素是偶Z和偶N的同位素。在研究核稳定性和核素分布情况时还发现，中子或质子数为2、8、20、28、50、82和 126等的原子核具有特殊的稳定性和较大的丰度，这些数值叫做幻数，元素丰度图上的高峰处一般就为幻数核。

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。

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