Chapt-6一教学课件

1、第六章 同位素地球化学 同位素地球化学是研究地壳和地球中同位素的形成、丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律的科学。,1)计时作用：每一对放射性同位素都是一只时钟，自地球形成以来它们时时刻刻地，不受干扰地走动着，这样可以测定各种地质体的年龄，尤其是对隐生宙的前寒武纪地层及复杂地质体。2) 示踪作用：同位素成分的变化受到作用环境和作用本身的影响，为此，可利用同位素成分的变异来指示地质体形成的环境条件、机制，并能示踪物质来源。3) 测温作用：由于某些矿物同位素成分变化与其形成的温度有关，为此可用来设计各种矿物对的同位素温度计，来测定成岩成矿温度。 另外亦可用来进行资源勘查、环境监测、地质灾害防治等。,

2、同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处,核素:由一定数量的质子(P)和中子(N)按一定结构组成的原子核称为核素。 核素的性质： 1）核素具有电荷 2） 核素具有质量 3） 核素具有丰度 4） 核素具有能量 5）有些核素具有放射性 元素:由具有相同质子的核素称为元素。 同位素：由质子数相同而中子数不同的核素组成同位素。它们在元素周期表中占据同一个位置。,第一讲 同位素基本性质及其组成变化,同位素的基本概念,硫有4个同位素，即1632S、1633S、1634S和1635S， 这4个同位素都有16个质子，因而它们都位于元素周期表第三周期第主族。又如 16O、17O和18O是同位素，87Sr和87

3、Rb不是同位素。 同位素之间化学性质相同、物理性质不同。偶数元素的丰度高，同一元素中子数为偶数的丰度高。,例：,一个元素可以由一种或几种同位素组成。同位素地球化学研究具有2个或2个以上核素组成的元素。 自然界中同位素最多的是Sn元素，有10个同位素： 112，114，115，116，117，118，119，120，122，124Sn,1、放射成因同位素 它们能够自发地衰变形成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因同位素； 2、稳定同位素 它们不自发地衰变形成其它同位素，或由于衰变期长（1017年）其同位素丰度变化可忽略不计。,自然界存在两类同位素：,一、放射性同位素组成变化 （一）放射性同位素衰

4、变反应 自然界放射性同位素大约有67种，它们大多数的质量数大于209（例外：14C，40K，87Rb ）。 这些放射性同位素不断自发地发射出质点和能量，改变同位素组成并转变成稳定的核素，这种过程称核衰变反应或蜕变，简称衰变反应。是引起放射性同位素丰度变化的主要原因。,天然放射性同位素的衰变反应种类如下： 1. -衰变 原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子（-质点），-质点被射出核外，反应通式为： AZM AZ+1M+- 其中Z为核电荷数，A为质量数。衰变结果，核内减少一个中子，增加一个质子，质量数不变，核电荷数增加1，变为周期表右侧的相邻元素。 如：8737Rb 8738Sr+-、 401

5、9K 4020Ca+-，其中8737Rb与8738Sr、4019K与4020Ca为同量异位素。,2. 电子捕获 它是-衰变的逆反应（并非可逆反应），是原子核自发地从K或L层电子轨道上吸取一个电子（多数为K层捕获），与一个质子结合变成一个中子，反应通式为：AZM+e AZ-1M，衰变结果，质量数不变，核电荷数减1，变为周期表左邻元素。 如： 4019K+e 4018Ar。,3. - 衰变 重核放射出由2个质子和2个中子组成的质点（即He核），衰变反应为： AZM+eA-4Z-2M+ 衰变结果，质量数减4，核电荷数减2，在元素周期表上向左移动2格。如： 22688Ra 22286Rn+42He。

6、4.重核裂变 重同位素自发地分裂为2-3片原子量大致相同的碎片。如：238U、235U和232Th等重核都可能发生这种裂变。,在自然界中，有些放射性同位素只通过一次某一种固定形式的衰变过程就转变为某种稳定同位素，从而停止了放射性衰变。 如8737Rb 8738Sr + - 而其它一些放射性同位素，如238U、235U和232Th等原子核要通过一系列的衰变和衰变，通过形成一系列中间过渡的放射性同位素，最终才转化为稳定的同位素，从而结束了其放射性衰变过程。,（二）放射性衰变定律 放射性同位素衰变反应不同一般的化学反应，具有如下性质： (1) 衰变作用是发生在原子核内部的反应，反应结果由一种核素变成

7、另一种核素； (2) 衰变自发地不断地进行，并有恒定的衰变比例； (3) 衰变反应不受温度、压力、电磁场和原子核存在形式等物理化学条件的影响； (4) 衰变前和衰变后核素的原子数只是时间的函数。衰变前的核素被称为母体同位素（母核），衰变后新形成的核素称为子体同位素（子核）。,放射性衰变定律 单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。 其数学表达式如下：-dN/dt = N 式中：N为在 t 时刻存在的母体原子数；dN/dt为t时的衰变速率，负号表示N随时间减少；为衰变速率常数，表示单位时间内衰变的原子比例数，其单位为1/年或1/秒。,将前式由t=0到t求积分，整理后得： ln(N/

8、N0)=-t N0为t=0时的衰变母体原子数。 由此得：N=N0e-t 或 N0 =Net 以上为放射性同位素衰变的基本公式，表明母核原子数为N0的放射性同位素，经时间t后残存的母体原子数 N= N0e-t，N与t为指数函数。,设衰变产物子体的原子数为D*，当t=0时，D*=0，经时间t的衰变反应，则：D*=N0-N D*=N0（1- e-t）或 D*=N(et-1) 对于任一放射性同位素体系，放射性核素衰变掉初始原子数的一半所需的时间称为半衰期，以T1/2表示。 t=T1/2时, N=1/2N0，代入D*=N(et-1)并整理得： T1/2=ln2/ T1/2与呈反比关系。 衰变常数值愈小，

9、半衰期愈长，核的寿命愈长。,放射性母体核素N和子体核素D*随时间t变化的曲线,时间（以半衰期为单位）,D*=N0（1- e-t）,N=N0e-t,D0=0,N0,N or D*,二、 稳定同位素组成变化 （一）稳定同位素分馏 轻稳定同位素（Z20）的相对质量差较大（A/A10%），在地质作用中由于质量差所引起的同位素相对丰度变异，称为同位素分馏作用。 根据分馏作用的性质和条件可区分如下： 1. 物理分馏：也称质量分馏，同位素之间因质量引起一系列同质量有关的性质的不同，如密度、比重、熔点、沸点等微小的差别，使用使之在蒸发、凝聚、升华、扩散等自然物理过程中发生轻重同位素的分异。,水和重水的物理性质

10、对比,2动力分馏：含有两种同位素的分子，由于质量不同导致它们参加化学反应活性的差异。质量不同的同位素分子具有不同的分子振动频率和化学键强度。轻同位素形成的键比重同位素更易于破裂，因此，轻同位素分子的反应速率高于重分子，在共存平衡相之间产生微小的分馏，反应产物、特别是活动相中更富集轻同位素。如： C+16O C16O2 平衡常数为K1 C+16O18O C16O18O 平衡常数为K2 经实验测定25C时 K1/K2=1.17。,3平衡分馏：化学反应中反应物和生成物之间由于物态、相态、价态以及化学键性质的变化，轻重同位素公别富集在不同分子中发生的分异，也称同位素交换反应。达到同位素交换平衡时共存相

11、同位素相对丰度比值为常数，称分馏系数。 如：1/3CaC16O3+H218O1/3Ca18O3+H216O 25时同位素分馏系数=1.0310。,4生物化学分馏：生物活动和有机反应也能导致的同位素分馏效应。如植物的光合作用使12C更多地富集于生物合成有机化合物中。生物成因的地质体如煤、油、气等具有最高的12C/13C值。生物化学分馏是同位素分异作用中重要的控制反应。,（二）同位素组成的表示方法： 1.同位素间的相对丰度（ R ） 同位素组成常用R值来衡量和比较，如大气中的16O/18O比值： R=16O/18O=99.763/0.1995=500.065， 或 R=18O /16O=2.010

12、-3。,2.同位素的相对富集度（ ） R值只代表同位素的相对丰度。若取某一给定样品的R值为标准，则可测得各地质样品中R值与标准间的绝对变差，以表示： R样-R标 R样 （）=1000 = 1000 R标 R标-1,（二）同位素组成的表示方法,从样品的值，直接看出它含微量同位素比标准富集和贫化的程度。例如样品的0，表明微量同位素比标准更富集；若0，表明微量同位素贫化；若=0，表明样品与标准具有相同的同位素丰度比。,（三）稳定同位素标准样品 H、O、C、S同位素国际标准,2D/1H,同位素平衡分馏反应通式：aA1+bB2aA2+bB1 式中：A、B为含有相同元素的两种分子；1、2为轻、重同位素。则

13、同位素分馏系数的定义为： =RA/RB=（A2/A1）/（B2/B1） 如反应：C16O32-+3H218OC18O32-+3H216O =(18O/16O)CO32-/(18O/16O)H2O 值的意义为：当1,反应向右进行；当1，反应向左进行；=1，无同位素分馏。值愈偏离1，则同位素分馏愈强。 给定反应的值可以通过实验方法测定，也可以用理论公式计算。,（四）同位素平衡分馏反应的意义,地质体中共存相之间同位素分馏系数，可以通过实测两相值结果，用下列公式逼近： 通常是接近于1的数值， =1.00 - 1.00 数学上已证明：1000ln 则下式为近似计算式：,A-B = RA/RB = （1+

14、A/1000）/（1+B/1000） = （1000+A）/（1000+B）,1000lnA-B=A-B=A-B,The End of this Section,据日本读卖新闻报道，由日本高能加速研究机构研究人员组成的研究小组宣布，该小组在中微子有无质量的实验中证实，中微子有质量存在的概率为.。中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中，共有电子中微子、中微子和中微子种形态，其中只有前两者能被观测到。中微子可以自由穿过地球，不与任何物质发生作用，因而难以捕捉探测，被称为宇宙间的“隐身人”。,关于中微子,中微子研究是当前物理研究的一大热点，美国科学家雷蒙德戴维斯和日本科学家小柴昌俊，因其在探测宇宙中微子方面取得的成就，荣获年诺贝尔物理学奖。此次研究人员利用位于日本茨城县的质子加速器发射中微子，在距茨城县公里的岐阜县神冈町的地下设施内进行测量。根据理论值，研究人员最终应捕获到个中微子，而实际捕获中微子的数量只有个。他们认为，未能捕获的中微子由于在穿