地球化学课件raddioactive同位素地球化学

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1、Radiogenic Isotope Geochemistry同位素地球化学是研究地壳和地球中核素的形成、丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律的科学。同位素地球化学 （一）同位素的基本知识v同位素的定义同位素(isotope)是具有相同质子数和不同中子数的一组核素。由于核素具有相同的质子数，它们属于同一元素，具有相同的核外电子排布结构和非常相似的化学性质，但由于中子数不同因而质量数不同。v同位素的分类自然界的同位素按其原子核的稳定性可以分为放射性同位素和稳定同位素两大类。元 素 周 期 表v放射性同位素原子核是不稳定的，它们以一定方式自 发地衰变成其它核素的同位素。例如：8787Rb Rb 87

2、87SrSr + a beta particle + a beta particle 147 147SmSm143143Nd+Nd+ +E+Ev稳定同位素的原子核是稳定的，或者其原子核的变化不 能被觉察。目前认为，凡原子能稳定存在的时间大于1017 年的就称为稳定同位素，反之则称放射性同位素。v这两类同位素在原子序数和质量数上具有明显的区别： 凡是原子序数大于83，质量数大于209的同位素都是放射 性同位素；在原子序数小于83、质量数小于209的同位素 中，除14C、40K、87Rb具放射性外，其余都是稳定同位素 。同位素的基本知识每一方格代表一个核素，每个核素是由一定数目质子(Z)和中子(N

3、)组成的核。阴影 方格代表稳定原子，白色方格代表不稳定的或放射性核素。同位素是具有相同Z值 不同N值的原子。同中子异位素(isotone)具有相同N值不同Z值。因此具有相同的化 学性质。部 分 核 素 图Z=6N=10A=12同 位 素稳定同位素放射性同位素宇宙成因放射性同位素:14C等人造放射性同位素:137Cs 等原生放射性同位素: 238U等 同位素分类：放射性成因同 位素87Sr143Nd206Pb207Pb208Pb177Hf放射性同位素87Rb147Sm238U235U232Th176Lu母体子体同位素分类：放射性成因同位素可以是稳定的，也可以是放射性的；例如： 87Rb（放射性同

4、位素）衰变成87Sr， 87Sr不在发生衰变（“稳定同位素”）放 射 性 同 位 素 放射性成因同位素放 射 性 成 因 同 位 素放射性同位素已发现的天然同位素330多种 分类：v放射性同位素：40K、87Rb、147Sm、238U、235Th等v稳定同位素：轻同位素和重同位素12C 、 13C 、16O、 17O 、 18O 、 32S、 34S等本章内容v同位素地球化学意义v同位素年代学v稳定同位素地球化学同位素地球化学在解决地学领域问题的独到之处：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

5、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 。一、自然界引起同位素成分变化的原因v核素的性质v同位素分类v同位素成分的测定及表示方法v自然界引起同位素成分变化的原因一、自然界引起同位素成分变化的原因（一）核素的性质1.什么叫核素?由不同数量的质子和中子按一定结构组成各种元素 的原子核称为核素

6、，任何一个核素都可以用A=P+N这 三个参数来表示。而具有相同质子数，不同数目中子数所组成的一组 核素称为同位素。O的质子数P=8，但中子数分别为8、9、10，因此 ，氧有质量数分别为16O、17O、18O三个同位素。(一) 核素的性质(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质子数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素，同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。(2)核素具有质量：核素因含有不同数量的质子和中子，而具有不同的质量，较轻元素的同位素之间因质量差别导致在地质作用中的分异，这样，使得不同产状的地质体中同位素间的相对丰

7、度发生变化。(3)核素具有丰度：自然界的核素具有两种丰度。一是核素的绝对丰度，是指自然界各种核素存在的总量，它与组成核素的核子数量和结构有关，反映核素的稳定性。当原子序数Z83时，N/P偏离1或1.5，核素不稳定，绝对丰度低。二是核素的相对丰度，是指元素同位素所占总质量的百分数，例如大气中三个氧同位素的相对丰度是: 16O：99.763%； 17O：0.0375%；18O：0.1995%。(4)核素具有能量：原子核聚集高质量的粒子于一个极小的体积内，因此，原子核内孕含着巨大的能量，即核能，也称“结合能”。结合能越高核素越稳定；结合能低（如H、N、Li、Be及高质量 数的核素）的核素不稳定。在核

8、衰变过程中，一部分核能通过放射出各种粒子及射线而被释放出来。(5)核素具有放射性：所谓放射性即不稳定核素通过放射出粒子及辐射能量，而自发地调整核内的组成和结构，转变为稳定的核素的现象，称为放射性衰变。放射性衰变的结果，使核素的质量、能量和核电荷 数都发生变化，从而变为另外一种元素。(一) 核素的性质(二) 同位素分类从核素的稳定性来看，自然界存在两大类同位素： 一类是其核能自发地衰变为其它核的同位素，称为放射性同位素；另一类是其核是稳定的，到目前为止，还没有发现它们能够衰变成其它核的同位素，称为稳定同位素。然而，核素的稳定性是相对的，它取决于现阶段的实验技术对放射性元素半衰期的检出范围，目前一

9、般认为，凡是原子存在的时间大于1017年的就称稳定同位素，反之则称为放射性同位素 。(三) 同位素成分的测定及表示方法 一般来说质量数A209的同位素大部分是稳定的，只有少数是放射性的,如14C，40K，87Rb；而质量数大于209的同位素全部属于放射性同位素。一种元素可由不同数量的同位素组成。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自然界也存在只有一种同位素单独组成的元素：Be、F、Na、Al、P等27种。其余大多数由2-5种同位素组成。(三) 同位素成分的测定及表示方法一个完整的同位素样品的研究包括样

10、品的采集、加工、化学制样、测定及结果的计算和解释等环节。下面简单介绍一下化学制样及质谱仪测定方法。 1.制样将地质样品分解，使待测元素的同位素转化为在质谱仪上测定的化合物，轻稳定同位素一般制成气体样品。例如：氧同位素有两种制样方法： （1）还原法: 高温条件下与C还原成CO； （2）氧化法: 用F或卤化物氧化，生成O2（精度高）。2.质谱仪测定：质谱仪是目前同位素成分测定的主要手段（MAT261，MAT251）。其工作原理是：把待测元素的原子或分子正离子化，并引入电场和磁场中运动，带正电的质点因质量不同而被分离测定。3.同位素成分表示方法：1)绝对比率（R）：用两个同位素比值直接表示，例如32

11、S/34S，12C/13C等；2)对标准样品R的绝对比率差（R）R = R样品 - R标准；3）样品相对于标准样品R的偏离程度的干分率：=（R样R标）/R标1000=(R样/R标1) 1000例如对34S/32S相对于标准样品的富集程度，即以 34S 来表示：34S=(34S/32S)样/(34S/32S)标)-1 1000习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以从样品的值，直接看出它含微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化了。0表示34S比标准样品是富集了；0表示34S比标准样品是贫化了。 4）同位素标准样品元 素标 准 样缩 写H、O大洋水平均SMOWC美国南卡罗莱纳州，

12、皮迪组的美洲箭石（已耗尽）PDBC索洛霍芬石灰岩NBS20S美国亚利桑那州坎宁迪亚布洛铁陨石中的陨硫铁CD同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世 界性的标准样品。世界标准样品的条件：在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位置，可以做为 零点；标准样品的同位素成分要均一；标准样品要有足够的数量；标准样品易于进行化学处理和同位素测定。(四) 自然界引起同位素成分变化的原因主要是放射性衰变和同位素分馏效应1.放射性衰变：放射性同位素经过自然衰变，转变为其它元素的同位素 ，结果母元素同位素不断减少，而子元素同位素不断增加，从而改变着 母元素和子元素同位素的成分，它是放射性核素原子核的一

13、种特性，不 受外界物化条件的影响。1)衰变: 放射性母核放出粒子（粒子由两个质子和两个中子组成 ，粒子实际上是 ）：X：母核，Y：子核；Z：原子序数，A：质量数，E：能量(镭) （氡）由上式可见，新核的同位素原子序数比母核少2，质量数少4。自 然界的重同位素235U、238 U、232Th等以衰变为主。2)衰变：自然界多数为衰变，即放射性母核中的一个中子分 裂为1个质子和1个电子（即粒子），同时放出反中微子 ，通式为：衰变结果，核内减少1个中子，增加1个质子，新核的质量数不变，核电荷数加1，变成周期表上右侧相邻的新元素。例如：3)电子捕获：是母核自发地从核外电子壳层捕获1个电子，通常在K层 上

14、吸取1个电子（e），与质子结合变成中子，质子数减少1个（是衰变 逆向变化），通式为：这样，其衰变产物核质量数不变，质子数（核电荷数）减1，变成周期表上左邻的新元素：4)重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为23片原子量 大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散，如238U，235U，232Th都可以发生这种裂变。在自然界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰 变，即可变成某种稳定同位素：但是，有些放射性同位素需经过一系列的各种衰变才能变 化成稳定同位素：二、同位素年代学u放射性衰变定律u放射性同位素年龄测定uRbSr法二、同位素年代学(一)放射性衰变定律：放射性同位素在地学上应用的性质有

15、四个：放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一个核素转变为另一个核素；衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变是按一定比例的；衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其物理化学条件的影响；衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。v卢瑟福（1902）实验结果： 单位时间内衰变的原子数正比于放射性母体原 子数。 衰变的母体、子体原子数只与时间有关，与体 系T,P等物理化学条件无关。我们一般把正在衰变的核素称为母核（体），衰变的产物称为子核（体）。自然界的放射性同位素虽然衰变方式和产物不同，但是都服从同一个放射性规律，即：在一个封闭系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子

16、数与母核的原子数成正比。用以下式子表示： -dN/dt=N其中， N：在t时刻未衰变完母核的原子数dN/dt：单位时间内所衰变的原子数：衰变速率常数（单位时间内衰变几率）1/年、1/秒-：表示dt时间内母核的变化趋势是减少的(一) 放射性衰变定律变换上式： -dN/dt=NdN/N= -dt假设：T0时刻母核的原子数为N0，经过t 时到达T时刻，母核的原子数 为N，N的数值可以通过对上式的积分求得：lnNlnN0= -(T-T0)= -t (据积分公式)lnN/N0= -t (对数运算法则)N/N0=e-t (取掉自然对数)T时刻母核的原子数N=N0 e-t，这是一切放射性反应的基本公式变换上式： N0=N et，N/N0= e-t这里来讨论一下半衰期与衰变常数的关系：半衰期（T、t1/2、单位：年）即母核