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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。
隨着社會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
- ↑ 漢字小時候|一個文字,一段歷史,搜狐,2020-11-24
- ↑ 書法丨原來小篆是中國第一個也是唯一一個由國家規定的標準漢字形態!,搜狐,2017-06-05