第五章(1)同位素基础

1、第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-271 什么是同位素地球化学什么是同位素地球化学同位素地球化学是地球化学中研究同位素地球化学是地球化学中研究地球和地壳中核素的地球和地壳中核素的丰度丰度、在自然、在自然作用中作用中分馏和衰变规律、用以测定分馏和衰变规律、用以测定各种地质体的年龄、探讨成岩成矿各种地质体的年龄、探讨成岩成矿的物理化学环境、推断成矿物质来的物理化学环境、推断成矿物质来源源的一门学科。的一门学科。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-272一、同位素基础一、同位素基础1.1.同位素同位素2.2.放射性放射性3.3.衰变反应衰变反应4.同位素

2、地球化学简介同位素地球化学简介第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-273 同位素的概念同位素的概念 同位素的同位素的表示，表示，1818O O、1717O O、1616O O（原子序数为原子序数为8 8）。）。 目前已发现目前已发现17001700余种同位素，其中，天然同位素只余种同位素，其中，天然同位素只有有350350多种（多种（本门课程仅涉及天然同位素本门课程仅涉及天然同位素）。）。 奇数元素的同位素只有奇数元素的同位素只有1 1至至2 2个，偶数元素的同位素个，偶数元素的同位素除除BeBe和和ThTh只有一个同位素外，其余元素常有只有一个同位素外，其余元素常有2

3、2到到7 7个同位个同位素。随原子序数增大，同位素数目有增多的趋势。素。随原子序数增大，同位素数目有增多的趋势。 1.1.同位素同位素第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-274有的元素同位素较多，如锡元素有的元素同位素较多，如锡元素112112SnSn、114120114120SnSn、122122SnSn、124124Sn Sn ，多达，多达1010种种自然界仅仅由一种同位素单独组成的元素只有自然界仅仅由一种同位素单独组成的元素只有2121种种：BeBe、F F、NaNa、AlAl、P P、ScSc、MnMn、CoCo、 AsAs、 Y Y、NbNb、RhRh、I I、

4、CsCs、PrPr、TbTb、HoHo、TmTm、AuAu、BiBi和和ThTh2021-10-275自然界大部分元素都是由不同原子量的若干同位素自然界大部分元素都是由不同原子量的若干同位素混合而成的混合而成的，如氧元素，它有三种同位素，如氧元素，它有三种同位素:16O、17O、18O，其丰度分别为，其丰度分别为99.763%、0.0375%、0.1995%，其原子量分别为，其原子量分别为15.99491、16.99914、17.99916，故氧元素的原子量等于，故氧元素的原子量等于 15.994910.99763+16.99914 0.000375+17.99916 0.001995=15.

5、99965由此可见，由此可见，元素的原子量实际上是该元素天然同位素原元素的原子量实际上是该元素天然同位素原子量的平均值子量的平均值第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-276 天然同位素按其核稳定性分为不稳定和稳定两类天然同位素按其核稳定性分为不稳定和稳定两类, ,即即放射性同位素放射性同位素（radioactive isotoperadioactive isotope）和和稳定同位素稳定同位素（stable isotopestable isotope）。）。 不稳定的同位素（放射性同位素）不稳定的同位素（放射性同位素）能自发产生核衰能自发产生核衰变而转变为其它同位素，如变

6、而转变为其它同位素，如238238U U能衰变成能衰变成206206PbPb。 稳定同位素稳定同位素指无可测放射性的同位素。可进一步划指无可测放射性的同位素。可进一步划分为分为放射性成因同位素放射性成因同位素（radiogenic isotoperadiogenic isotope）和和天天然稳定同位素然稳定同位素。 放射性成因同位素是放射性成因同位素是放射性同位素衰变的最终稳定放射性同位素衰变的最终稳定产物，例如产物，例如206206PbPb和和8787SrSr等。等。天然稳定同位素天然稳定同位素指自核合成指自核合成以来就保持稳定的同位素，如以来就保持稳定的同位素，如1212C C、1818

7、O O、1616O O、3232S S。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-277放射性：放射性：原子核自发地放射各种射线的现象称为原子核自发地放射各种射线的现象称为 放射性。放射性。在磁场中研究放射性的性质时，放射性射线是由在磁场中研究放射性的性质时，放射性射线是由、三种射线组成。三种射线组成。 射线射线是高速运动的是高速运动的粒子粒子( (即即4 4HeHe核核) )流。在磁场中流。在磁场中的偏转方向与正离子流的偏转相同。的偏转方向与正离子流的偏转相同。 射线射线是高速运动的电子流或正电子流；在磁场中是高速运动的电子流或正电子流；在磁场中发生偏转。发生偏转。 2.2.

8、放射性放射性第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-278射线射线是波长很短的电磁波，在磁场中不发生是波长很短的电磁波，在磁场中不发生 任何偏转。任何偏转。 放射性同位素放射出放射性同位素放射出或或射线而发生核转变的过射线而发生核转变的过程称作程称作放射性衰变放射性衰变。这是因为放射性同位素的原子核。这是因为放射性同位素的原子核在质子与中子组成上处于能量不稳定状态，它将自动在质子与中子组成上处于能量不稳定状态，它将自动发生衰变而转变为稳定同位素。发生衰变而转变为稳定同位素。 衰变前的放射性同位素通常叫作衰变前的放射性同位素通常叫作母体母体。 衰变过程中产生的新同位素则叫做衰变

9、过程中产生的新同位素则叫做子体子体。 第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-279 在放射性衰变过程中，在放射性衰变过程中，母体母体的原子数目随时间不的原子数目随时间不断减少，而断减少，而子体子体的原子数目逐渐增加。的原子数目逐渐增加。 放射性母体经过一次衰变就转变为一种稳定的子放射性母体经过一次衰变就转变为一种稳定的子体，则称为体，则称为单衰变单衰变。 第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2710 放射性母体经过若干次衰变，每一次衰变所形放射性母体经过若干次衰变，每一次衰变所形成的中间子体都是不稳定的、本身又会发生衰变，成的中间子体都是不稳定的、本身

10、又会发生衰变，一直持续到产生稳定的最终子体为止，这种衰变叫一直持续到产生稳定的最终子体为止，这种衰变叫做做连续衰变连续衰变。铀铀镭镭氡氡钋钋铋铋铊铊铅铅第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2711 大多数放射性同位素是按一种母体只转变成另一种大多数放射性同位素是按一种母体只转变成另一种子体的方式衰变。少数放射性同位素可以有两种（或子体的方式衰变。少数放射性同位素可以有两种（或多种）衰变方式，形成不同的子体，即多种）衰变方式，形成不同的子体，即一种母体能同一种母体能同时产生两种子体，这样的衰变称为时产生两种子体，这样的衰变称为分支衰变分支衰变, ,如如4040K K可以可以

11、衰变形成衰变形成4040ArAr和和4040CaCa。 在放射性衰变过程中，放射性同位素的原子数衰减在放射性衰变过程中，放射性同位素的原子数衰减到原有数目的一半所需要的时间称为到原有数目的一半所需要的时间称为半衰期半衰期，记作，记作T T1/21/2。 半衰期的长短差别很大，短的仅几千万分之一秒，半衰期的长短差别很大，短的仅几千万分之一秒，长的可达百亿亿年。半衰期愈短的同位素，放射性愈长的可达百亿亿年。半衰期愈短的同位素，放射性愈强。强。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2712天然放射性同位素的衰变形式有以下四种：天然放射性同位素的衰变形式有以下四种： -衰变衰变 电

12、子捕获（电子捕获（K K层捕获）层捕获） -衰变衰变 重核裂变重核裂变3.3.衰变反应衰变反应第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2713衰变衰变 原子核自发地放射出原子核自发地放射出粒子的过程称为粒子的过程称为衰变衰变。粒子包括负电子和正电子。粒子包括负电子和正电子。 放出负电子为放出负电子为衰变：中子衰变：中子质子质子 原子序数加原子序数加1 1 放出正电子为放出正电子为衰变：质子衰变：质子中子中子 原子序数减原子序数减1 1 在在衰变中，衰变中，子体与母体的质量数相同子体与母体的质量数相同，只是核电，只是核电荷数荷数( (即原子序数即原子序数) )相差相差1 1。第

13、四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2714 射线主要在人工放射性同位素中观察到，天然射线主要在人工放射性同位素中观察到，天然放射性同位素中放射性同位素中衰变的比率是极小的。如，衰变的比率是极小的。如，ArK40184019CaK40204019 其中的其中的衰变的分支比仅为衰变的分支比仅为1.031.0310103 3，也就是，也就是说，说，天然放射性同位素的天然放射性同位素的衰变实际上都是指衰变实际上都是指衰衰变。变。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2715电子捕获电子捕获 原子核自发地从核外电子层（原子核自发地从核外电子层（K K或或L L层

14、）电子轨道上层）电子轨道上吸取一个电子，与一个质子结合变成一个中子，这种吸取一个电子，与一个质子结合变成一个中子，这种俘获一个轨道电子的过程称为俘获一个轨道电子的过程称为电子捕获电子捕获。 通常最容易俘获通常最容易俘获K K层电子层电子（K K、L L、M M、N N、O O、P P、QQ分别为分别为1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7电子电子层）层），叫做，叫做K K层捕获层捕获。因此，电子捕获后形成的子体相对。因此，电子捕获后形成的子体相对于其母体，核质量数不变，核电荷数减于其母体，核质量数不变，核电荷数减1 1，变为周期表，变为周期表左邻的元素。如左邻的元素。如AreK

15、40184019第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2716衰变衰变 原子核自发地放射出原子核自发地放射出粒子而转变为另一种粒子而转变为另一种核的过程叫做核的过程叫做衰变衰变。对于天然放射性同位素。对于天然放射性同位素而言，而言，衰变是重核的特征，只有质量数衰变是重核的特征，只有质量数A A140140的原子核才能发生的原子核才能发生衰变。特别是原子序数衰变。特别是原子序数Z Z8282和质量数和质量数A A209209的放射性同位素，则以的放射性同位素，则以衰变方式为主。衰变方式为主。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2717粒子由两个质子和两个

16、中子组成，实际上就是粒子由两个质子和两个中子组成，实际上就是 。因此，因此，凡是经过凡是经过衰变后形成的子体，其原子序数衰变后形成的子体，其原子序数( (即即质子数质子数) )比母体减少比母体减少2 2，质量数减少，质量数减少4 4。He42X X：母核，：母核，Y Y：子核；：子核；Z Z：原子序数，：原子序数，A A：质量数，质量数，E E：能量：能量 第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2718 重核通过释放出由两个质子和两个中子组成重核通过释放出由两个质子和两个中子组成质质点（即点（即HeHe核）而趋于稳定核。生成的子同位素质量数核）而趋于稳定核。生成的子同位素质

17、量数减减4 4，原子序数减，原子序数减2 2，在周期表上的位置向左移动两格。，在周期表上的位置向左移动两格。如，如，HeRnRa422228622688 U U、ThTh等重同位素经过多级等重同位素经过多级、衰变，最终衰变，最终变成稳定同位素变成稳定同位素PbPb。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2719重核裂变重核裂变 重核分裂成两个或几个中等质量的碎片，同时放出重核分裂成两个或几个中等质量的碎片，同时放出中子和能量的过程称为中子和能量的过程称为原子核裂变原子核裂变。 将重核分裂成两个碎片的称为二分裂变，分裂成三将重核分裂成两个碎片的称为二分裂变，分裂成三个或四个碎

18、片的情形分别称为三分裂变和四分裂变。个或四个碎片的情形分别称为三分裂变和四分裂变。 核裂变有核裂变有自发自发和和诱发诱发两种两种: : 自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击的情形下自自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击的情形下自行发生的核裂变。对于自发裂变，同样也可以用半衰行发生的核裂变。对于自发裂变，同样也可以用半衰期来衡量裂变发生的难易程度。原子核在裂变过程中，期来衡量裂变发生的难易程度。原子核在裂变过程中，核的数目减少到原来的一半所需要的时间称为核的数目减少到原来的一半所需要的时间称为裂变半裂变半衰期衰期。半衰期愈长，意味着自发裂变不容易发生。半衰期愈长，意味着自发裂变不容易发生。第四章第四章 同位素地球化学同位素地球化学2021-10-2720 原子核发生自发裂变的必要条件是有能量放原子核发生自发裂变的必要条件是有能量放出和具有一定大小的裂变几率。实验发现只有出和具有一定大小的裂变几率。实验发现只有重核才能自发裂变。重核才能自发裂变。自然界的自发裂变仅见于自然界的自发裂变仅见于铀和钍的同位素铀和钍的同位素, ,如如238238U U、235235U U、232232ThTh都可以发生都可以发生这种裂变。这种裂变。 诱发裂变是指重原子核在外来粒子轰击下发生的裂变。它可诱发裂变是指重原子核在外来粒子轰击下发生的裂变。它可以当作一种核反应过程来看待