01+第一章(基本概念)

HYDROGEN (Z=l)
l
2
H (Protium) H (D, for Deuterium)
1.0079 1.007825 2.014102
99.985 0.015
CARBON (Z=6)
12 13
C C
12.011 12 13.00335
98.9 1.1
NITROGEN (Z=7)
14 15
N N
位素地球化学的主要研究对象；
② 在质谱测定中，容易测定出不同同位素之间的比值，即便于测定。
同位素表示方法有两个缺点：
① 由于自然界中同位素组成的变化也十分微小，直接用比值表示，多
数同位素之间的差别要在第二位或第三位上才能显示出来，因此不 能一目了然地看出其变化方向和程度； ② 这种表示，不能对不同的“同位素”的分馏情况作对比。也就是说， 不能用来研究同位素分馏情况。
37Cl，15N，34S等。（在已知约1700余种同位素中，稳定的约占260种）
原子核的稳定与不稳定是相对的，它取决于放射性测量仪器的灵 敏度。目前认为凡是原子寿命大于1017年的均为稳定同位素，反
之则为放射性同位素。
实际上，稳定同位素仅仅是由于其核衰变速度十分缓慢。尚未发 现其有放射性而已。因此，严格来说，自然界并不存在完全稳定 的的同位素。 其中一部分稳定同位素是放射性同位素衰变的最终稳定产物，如
同位素丰度变化
事实上，稳定同位素的丰度在不同的地质体中是不同的，有一定的范围。 引起的原因如下： ① 与核合成有关的过程：太阳系早期活动、太阳风、宇宙射线等
② 与放射性衰变有关的过程：长寿命放射性同位素的衰变等
③ 同位素分馏：物理、化学、生物反应等
同位素丰度变化的地质应用
① 同位素地质定年：放射性同位素衰变为稳定子体，由母体衰变和子体 积累，可以测定地质体系的形成时代，所以放射性同位素可以看作为 地质时钟(Geochronometer)。 ② 地球化学示踪：同位素组成变化不仅能用来指示地质体的物质来源和 地质体系经历的地球化学过程，且能用来测定地球化学过程中的某些 强度因子，如测温，即所谓地质温度计(Geothermometer)。
各元素同位素的天然丰度分布是不相同的，一般低原子序数(Z<28)的元素 中，只有一种同位素(多为轻同位素)的丰度最大，其余的均很小。但Li 和B例外，因为它们有不同的形成途径；He和Ar也例外，由于放射成因
4He和40Ar的存在。
Stable isotope abundances
ELEMENT ISOTOPE ATOMIC WEIGHT (amu) ABUNDANCE (atom %)
同位素标记
A Z
X
X：代表原子所属的化学元素
A：质量数、核子数
Z：原子序数、质子数 （氕） A＝1 Z＝1 N＝0 （氘） A＝2 Z＝1 N＝1 （氚） A＝3 Z＝1 N＝2
在实际应用中，往往将原子序数省去。例如18O，为该元素符号的左
上角标以核子数。氧元素的原子序数为8，所以由元素符号本身可知， 此同位素原子中含8个质子，核子数为18，因此中子数为10。
同位素定义
同位素：质子数相同而中子数不同的原子成为同位素(Isotope)。
两同(同质子数、同一元素)
两不同(中子数不同、原子不同)
因为核外电子数由原子核中的质子数决定，所以可以近似地说，相同 元素同位素的化学性质相同。
What is an isotope?
Same element, different numbers of neutrons: Soddy F. 1913.
3.2 同位素组成的表示方法
用来表示同位素组成的方法主要有三种。 (1)同位素丰度(abundance)
含义：同位素丰度是指某一元素的各种同位素在自然界或某种物质中所占 的百分含量。
例如：氢同位素在自然界的平均丰度为：1H＝99.985%；2H＝0.015%；3H是放射性同 位素，含量不固定，没有确切的丰度。
从同位素示踪的观点出发，作了这种人为的划分。
环境同位素：分布于整个自然界环境中的同位素称为环境同位素。它可能是 天然同位素，也可能是人工同位素，例如：自然环境中氚就是这样。 人工施放同位素：人们为了某种目的而投放到某一局部范围内的人工同位素。 例如作弥散试验向钻孔内投放3H；又如医学上常用的32P、35S、131I等。
Stable Isotope Notation
Express variation as per mil differences from a standard Called delta values Positive, relatively more of the heavy isotope Negative more of the lighter isotope
原子是物质结构的基本单元，它由原子核和核外电子组成。原子 核内有多种不同的核子，其中最基本的粒子有两种：质子（P）和中 子（N），二者统称为核子。质子带有一个正电荷，中子不带电荷。 原子质量数（A）等于质子数和中子数的总和，即：A＝P + N 电子的质量极小，约为质子质量的1/1840，所以原子的质量几乎 全部集中在原子核内。由于原子是中性，所以原子核内的质子数（P） 等于核外电子数（E）。若用Z表示原子的原子序数。那么，原子的质 量数（A）、中子数（N）和原子序数（Z）之间的关系为： A = N + Z 显然，质子数等于原子序数（P = Z），而： N（中子数）＝ A（原子的质量数）－ Z（原子序数） ＝ A－P（质子数）。 可见：A，N，Z是表征原子核结构的特征参数。
同位素地球化学的基础工作是全球数据的比较，因此就需要有实验室之间的 测量标准。样品的δ值总是相对于某一标准而言的，若国际上标准不统一， 就无法进行对比。 一个好的标准应满足四个要求： ① 在世界范围内作为零点，即δ＝0； ② 同位素组成均一，且大致是天然同位素组成变化范围的中间值；以便于绝 大多数样品的测定，或处于变化范围的极值附件，专用于变化很大的样品。 ③ 数量相当大，以便供长期使用； ④ 化学制备和同位素测定操作简便。
206Pb和87Sr等，称为放射成因同位素(Radiogenic
Isotope)。
在元素周期表中，凡Z值（原子序数）大于82的元素，由于原子 核内的中子数目较质子多而不稳定，均为放射性同位素。Z值小 于82的元素中，除少数原子核由于存在过剩中子或质子（如3H和
14C有过剩中子）而不稳定外，多数为稳定同位素。
14.0067 14.003074 15.00109
99.63 0.37
OXYGEN (Z=8)
16 17
O O 18 O
15.9994 15.994915 16.999131 17.99916
99.76 0.04 0.2
From Walker et al. (1989) Nuclides and Isotopes
R样 R 1000-1000 1000＝ 样 1000 R标 R标
R标 R 样 ( 1000) 1000
目前，所有稳定同位素的测试结果都用这种表示方法，对具体的同 位素来说可写为：δ18O，δD，δ13C，δ34S，δ15N，δ37Cl等等。在 陨石研究中，也采用δ17O、δ33S、δ36S，其对应的比值为R＝ 17O/16O；R＝33S/32S；R＝36S/32S等。
轻元素（质子数在20以内）当Z:N（原子序数:中子数）
接近1时最稳定；而重元素当Z:N的值接近1.5时最稳定。
2.2 天然同位素与人工同位素
天然同位素：自然界内天然存在的同位素。 人工同位素：由于人工制造的同位素称为人工同位素。目前，由人工制造的 同位素已达1600多种。
2.3 环境同位素与人工施放同位素
18
18
17
O 16 O
0.205 0.00206 99.756
举例说明：例如地球上18O和 16O的平均丰度分别 为:99.756%和0.205%；则
这表示，每有十万个16O原子中就有206个18O原子。
同位素比值表示方法的优点是：
① 便于研究专门选定的两种同位素变种之间的含量，这种关系还是同
Where:
Rx = heavy isotope (18O) / light isotope (16O) in sample
Rs = heavy isotope (18O) / light isotope (16O) in standard
4 同位素标准
Rx Rstd x 1000 Rstd
Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
第一章
同位素的基本概念
Outline
1 同位素的含义
2 同位素分类 3 同位素组成及表示方法 4 同位素标准 5 同位素效应 6 稳定同位素样品分析 7 放射性衰变基本原理
1 同位素的含义
样品的δ值不能通过质谱仪直接测得，质谱仪只能测出同位素比值 （R），δ值都是通过计算机编制的程序计算来的。在实际工作中，只 要知道了R值，用手算或计算器算都可以得到δ值。（在计算机不普遍 的时代δ值都是人工算出来的）
这种表示方法的优点是清楚地反应出样品的同位素组成相对于标准样 品的变化方向和程度。若样品的δ18O＝+10‰，则说明样品的18O/16O 比值比标准高10‰；若样品的δ18O＝-10‰，则说明样品的18O/16O比 值比标准低10‰。样品的δ值愈大（越偏正），反映样品中越富集重 同位素。
(3) δ
含义：样品中某元素的同位素比值（R样）相对于标准样品的同位 素比值（R标）的千分偏差，称为δ值。写成表达式即：
Delta (δ) value =
Ratio sample - Ratio standard Ratio standard
x 1000
(‰)＝
＝
R 样 R 标 R标
R样 1000＝（ -1） 1000 R标
目前国际通用的同位素标准是由：
国际原子能委员会 (International Atomic Energy Agency，简称IAEA) 和美国国家标准局 (National Bureau of Standard, 简称NBS) 颁发的。 现在，后一机构已改名为国家标准和技术研究所 (National Institute of Standard and Technology, 简称NIST)。
3 同位素组成及表示方法
3.1 同位素组成
自然界各种物质中某元素的各种同位素的含量是很不同的。即使是同一种物质，例 如大气降水，当它所处的环境不同（如纬度、高程）或存在状态（如气态、液态、
固态）不同时，其同位素（2H、18O）含量也有差异。
含义：同位素组成是指某物质中某一元素各种同位素的相对含量。 例如：水分子（H2O），它由氢元素和氧元素组成。如果水分子中 的氧同位素有16O，17O，18O，那么它们在水中的相对含量就称为水 中的氧同位素组成。
2 同位素分类
2.1 稳定同位素和放射性同位素
按原子核的稳定性将同位素分为： 放射性同位素(Radioactive)：原子核能自发进行放射性衰变或核裂 变的核素称为放射性同位素，例如：3H，14C，36Cl，32Si，129I等。 稳定性同位素(Stable isotope)：按目前技术尚未发现有放射性衰变 现象的同位素称为稳定同位素；例如：1H，2H，16O， 17O， 18O，
18O/ 16Osample 18O/ 16Os tan dard *1000 18 O 18O /16Os tan dard
Stable isotope ratios are expressed as parts per thousand (per mil – ‰) relative to a standard:
(2) 同位素比值(R)
含义：同位素比值是指，研究对象中某元素的两种同位素含量（或丰度）
之比，代号为R。同位素比值通常是指稀有同位素含量（或丰度）与常见
同位素含量（或丰度）之比，即：
*
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X R X
H R 1 H
2
(X*为稀有同位素含量；X为常见同位素含量)
O R 16 O
O R 16 O