浅谈同位素的性质及在水文中的应用

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1、浅谈同位素的性质及在水文中的应用［摘要］介绍了同位素的性质、分馏、衰变以及测量原理。并且阐述同位素的衰变性质极其纬度、陆地、季节、高程效应在水文中的应用。［关键词］同位素水文中图分类号：TU857文献标识码：A文章编号：1009-914X(2016)28-0168-011.同位素概述同一元素的原子核屮包含不同屮子数的元素称为同位素(osiopots=在元素周期表中具有同一位置)。很多元素具有两个或两个以上稳定同位素。一般说来，原子核具有偶数个的质子和/或中子数是较稳定的。具有这种魔术数的序列数字2，

2、8,20,28,50,82,和126的核素，具冇相对较高的稳定性和较高的自然界含量。这些魔术数字可以用原子的壳层结构来解释，类似于原子外层的电子层，原子核内部有封闭的核子壳层。魔术数字的一个例子是大序数的铅：最大的稳定同位素，208Pb(Z=82,N=126)具有两个魔术数字。奇数-奇数的原子核特别不稳定，在自然界中很少出现。大多数Z为奇数的元素仅仅有一个或最多两个稳定同位素。2.同位素的性质如前所述，元素的化学性质是由原子序数所决定的，这表明同位素元素的化学性质是相同的。在自然界中我们观察到同位素

3、的相对浓度是变化的。这种现象的存在有两个原因：1）同位素元素的化学物理性质并不完全相同，导致含有同位素的分子的化学和物理性质有微小区別，最终导致同位素丰度的不同。2）如果同位素是放射性的，则在放射性衰变的过程中同位素分子的浓度逐渐减少，这会使同位素浓度差比1）屮所提到的那种情况更大。研究表明不同物质中各种同位素含量不同，有的富含重同位素，有的富含轻同位素，即使是同一种物质，例如人气降水，当它所处的环境不同（如高度、纬度）或状态不同（如气态、液态、同态）时，其中的同位素含量（如D、180）也有差异，有

4、时差别还相当大。稳定同位素在整个自然界的分布情况和富集程度常用同位素丰度、同位素比值和S值来表示。1.氢、氧同位素化学元素氢包括两种稳定同位素：氕（1H）和氘（2H或D），其丰度分别约为99.985%和0.015%,同位素比率2H/1H&0.0015。因为同位素之间相对较高的质量差异，这种同位素比率的自然含量约为250%。。氧有七种同位素，自然界屮常见的只有三种：160、170、180,它们都是稳定同位素，其丰度分别为99.76%、0.035%和0.2%。从严格意义上来说，观测170的浓度几乎不能为

5、我们提供任何水文信息，相关的水文信息可以通过研究180的变化获得，180的丰度较大，具有更准确的可测量性。2.同位素分馏根据经典化学理论，同位素的化学特征，更确切地说，由同种元素的不同同位素组成的分子（比如13C02和12C02）的化学性质是相同的。从很大程度上讲这是事实。然而，如果测量技术足够精确，这种测量技术用现代化的质谱仪，我们会发现在被称为同位素分子或化合物的化学性质和物理性质之间存在细微的差別。这种同位素之间存在差別的现象叫做同位素分馏。（有些作者把这种现象叫做同位素差异，然而，我们没有他

6、们偏离于原始解释的原因）。在将化合物一种状态转变到另一种状态（如由液态变成气态）或?成另外一种化合物（二氧化碳变成植物有机碳）时，同位素成分发生变化，或在化学平衡（溶解的重碳酸盐和二氧化碳之间的平衡）或物理平衡（液体水和水蒸汽）中两个化合物的同位素成分本身存在差别，则可能发生了同位素分馏。同位素化合物的物理性质和化学性质之间的差别（也就是由同种元素的不同同位素组成的化合物）是原子核的质量差别造成的。质量差别的结果有两方面：1）较重的同位素原子有较低的活动性。分子的动能仅由温度决定：kT二l/2mv2

7、（k=Boltzmann常数，T二绝对温度，分子质量，v二分子速度）。因此，如果不考虑同位素含量，分子具有同样的动能l/2mv2。这意味着质量大的分子具有较小的速度，一些实际结果如下：a）较重的分子有较慢的扩散速度；b）与其他分子的碰撞频率-化学反应中的主要的现象-对较重的分子来说是较小的;这也就是质量轻的分子反应速度快的原因2）质量大的分子一般具有较大的连接能。两个分子之间（例如：液态或晶体，或分子中两个原子之间）的化学连接可以用下面的简单模型表示。两个粒子间存在相互作用力。一种力为斥力，随距离的

8、减少而急剧增加（〜1A13）。另一种力为吸引力，随距离的减小缓慢增加（离子晶体间（〜l/r2）,不带电微粒间（〜l/r7））。这些力的结果将使得两个微粒处于特定的距离。如果一个原子位于坐标轴的起始端，另外一个将在能量井中。如果原子获得足够的动能来克服净引力，它将从井中逃逸。这个能量称为结合能。一个简单的例子是蒸发的热能。1.同位素测量原理含有同位素的气体分子进入离子源后被电子轰击而电离，正离子从电离室中分离出来后经高压E加速。在与纸谢垂直的磁场中不同质量的同位素离子被