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穩定同位素是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技術語。

隨着社制度的不斷發展與進步,中國的漢字也在不斷演化着,從最初的甲骨文[1]漸漸發展到了小篆[2],後來文化進一步發展後,才出現了」漢字」這種說法。

名詞解釋

在元素周期表中,原子序數相同,原子質量不同,化學性質基本相同,半衰期大於1015年的元素的同位素。

地球上已發現的穩定同位素共274種,原子序數在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。常用的有34種,已實現規模生產的穩定同位素及化合物有235U、重水、6Li、10B。

是重要的核工業材料或作示蹤原子。含穩定同位素最多的元素是錫,它有10種穩定同位素。在分析中應用於光譜分析,核磁共振分析,密度分析,氣相色譜分析,質譜分析,中子活化分析,紅外光譜分析,氣相色譜-質譜分析,稀釋分析等。

特點

某元素中不發生或極不易發生放射性衰變的同位素。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁分析器發現天然氖是由質量數為20和22的兩種同位素所組成,第一次發現了穩定同位素。1919年阿斯頓製成質譜儀(見質譜法),並在71種元素中發現了 202種核素,絕大多數是穩定的;後來又利用光譜等方法發現了氧、氮等元素的穩定同位素。已知有81種元素有穩定同位素,穩定核素的總數為274種(包括半衰期>1015年的放射性核素)。

穩定性

通常以原子核的比結合能(每個核子的平均結合能)ε=EB/A作為穩定性的量度;EB為核的結合能,A為核子數。ε越大,體系的能量越低,也就越穩定。

自然界中,質子數Z的穩定範圍在1~83,例外的是沒有Z=43、61的穩定核素。A的穩定範圍在1~209, 但沒有A=5、8的穩定核素。中子數N的穩定範圍在0~126,其中沒有N=19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的穩定核素。

將自然界存在的核素以N(N=A-Z)為縱坐標,Z為橫坐標作圖(圖1),可見核素分布在一條很窄的帶上。在輕核部分,中子數與質子數相等或非常接近,當Z>20,即從鈣以後,N>Z,窄帶明顯的偏離N=Z的直線而向上發散,至Z=83,中質比為 1.52,以後就沒有穩定核素。這說明核的穩定性與中質比值有關,穩定核素的中子數和質子數有近似的對稱關係,而在穩定帶以外的核都是放射性的。這就是核穩定性的對稱規則。

核素的穩定性還與核子數的偶奇性有密切聯繫。Z為偶數的元素比Z為奇數的元素有多得多的穩定同位素,而且偶Z和偶N的占大多數。事實上,奇Z的元素最多只有兩個穩定同位素,而且它們幾乎常是偶N的。對Z為偶數的元素,除元素鈹(Z=4)外,至少有2個穩定同位素,最多如元素錫,達到10個穩定同位素,而其中偶Z和奇N的核除錫有三個外,一般只有一個或兩個穩定同位素。這就是核穩定性的偶-奇規則,也即奧多-哈金斯規則。

組成

元素的同位素組成常用同位素豐度表示,同位素豐度是指一種元素的同位素混合物中,某特定同位素的原子數與該元素的總原子數之比。在天然物質中,甚至從地球外來的像隕石之類的物質中,大多數元素,特別是較重元素的同位素組成具有明顯的恆定性。但由於在自然條件下進行的多種物理、化學和生物等作用,對於同位素,特別是輕元素的同位素起着不斷的分離作用;另外,放射性衰變或誘發核反應,使某些元素的同位素還在繼續產生或消滅。因而,隨樣品來源環境的變遷,使元素的同位素組成又在某一範圍內漲落。一般,水中氫的氘含量,雪水的較小,河水比海水的低,而內陸鹽湖、油田水及死海水等則比海水的要高。大氣中氧的氧18含量比地表淡水中的高。甚至像硫那樣稍重的元素中,硫34與硫32比值的變化也高至 7%。又如元素鉛的穩定同位素中,鉛206、鉛207和鉛208分別產生於鈾、錒和釷三個放射性衰變系,所以鈾礦中鉛的相對質量(206.1)不同於釷礦中鉛的相對質量(207.8)。氦同位素組成的變化也是很大的,大氣中的氦3與氦4的相對含量比天然氣中大一個數量級或更多,這是由於前者是核反應的產物。

在Z小於28的元素中,往往有一種同位素在豐度上占絕對優勢,而其餘同位素豐度很低。在Z為28以後,同位素的豐度趨向均勻。Z為偶數的元素中,豐度最大的同位素是偶N的,最輕和最重的穩定同位素也是偶N的,且偶N的同位素豐度總和占70%以上,而奇N的同位素豐度總和卻不超過30%。

絕對豐度是指地球上各元素或核素存在的數量比,也稱元素豐度,對宇宙而言叫宇宙豐度(實際是指人們觀測到的那部分宇宙);一般定硅的豐度為 106作基準,後來改用以氫的豐度為 1012作基準。元素或核素的絕對豐度對Z或A的曲線叫分布曲線,如圖2所示。由圖可見,元素的豐度隨Z的增長而急劇下降, 從Z=1至Z=50,下降近10個數量級;而對於Z 較高的元素,下降較緩慢,最多為3個數量級。還可看出,Z為偶數的元素豐度普遍大於Z為奇數的元素豐度,地球和隕石物質 90%以上是由Z為偶數的元素構成。另外,從同位素在地殼中分布的數據可知,分布最廣的穩定同位素是偶Z和偶N的同位素。在研究核穩定性和核素分布情況時還發現,中子或質子數為2、8、20、28、50、82和 126等的原子核具有特殊的穩定性和較大的豐度,這些數值叫做幻數,元素豐度圖上的高峰處一般就為幻數核。

研究元素的同位素組成有很大的理論意義,元素的同位素組成是極為穩定的,對原子核原始形成過程的研究,這是個罕有的定量證據。

參考文獻