同位素化學

同位素化學是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分離、 同位素效應和同位素套用的化學分支學科。隨著核科學技術的發展，特別是核武器的研製和核電站的發展，更加推動了同位素化學的發展。同位素化學是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分離、同位素效應和同位素套用的化學分支學科。

基本介紹

• 中文名：同位素化學
• 外文名：Isotopic Chemistry
• 屬性：化學分支學科
• 提出時間：1913年
• 發現者：F·索迪和K.法揚斯

學科簡史

19世紀末,由於電子、X射線和放射性的發現，人類的認識能深入到原子內部。通過對放射性的研究，不僅發現了釙、鐳、錒等放射性元素，還從這些放射性元素中分離出30多種新的放射性“元素”，多到周期表中沒有可以容納它們的空位，而且有些放射性不同的新元素在化學性質上完全相同，彼此無法分開，以致在當時引起懷疑：周期表對放射性元素是否適用？通過對這些事實的進一步研究，1913年F·索迪和K.法揚斯同時發現放射性元素位移規律，並提出同位素的概念，從而解決了許多新元素在周期表上的位置問題，並用同位素概念說明了它們之間的依存變化關係。

同位素化學圖片

1913年J.J.湯姆孫和F·W·阿斯頓在用磁分析器研究氖時，發現了氖的兩種同位素──氖20和氖22。這是第一次發現穩定同位素。1919年阿斯頓製成質譜儀，隨後他在71種元素中，發現了202種同位素,並測定了各同位素的豐度。1920年G·C·de赫維西和L.K.策希邁斯特爾研究了同位素交換反應。1931年H·C·尤里等發現重氫；1933年G·N·路易斯等用電解法製得純重水；1934年挪威利用其廉價水電能建立了第一座重水工廠。1942年美國建造了電磁分離器並分離出鈾235;1943年美國又建立了三座六氟化鈾氣體擴散工廠生產鈾235;1944年美國橡樹嶺國家實驗室首先生產了千克量的鈾235,並製造了第一顆核子彈。

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重水既是建造反應堆的重要原料，又是熱核燃料和熱核武器的原料。第二次世界大戰後，一些國家競相研究生產重水的新方法，其中硫化氫雙溫交換法、液氫精餾法等都實現了工業化生產。

從50年代開始,為了尋找更好的同位素分離方法,不斷把科學技術新成就套用到同位素分離技術中。例如，60年代的色譜法和70年代開始的雷射法分離同位素的研究，都取得了突破性進展。到80年代中期，世界上用同位素分離法生產的同位素主要有：氘、氚、氦3、鋰 6、硼 10、碳13、氮 15、氧18和鈾235等。其中,重水的年產量以千噸計。例如，世界上最大的重水生產國加拿大，用雙溫交換法生產重水，1982年的年生產能力已達4000噸。硼10的世界年產量則以百千克計。隨著核科學技術的發展，特別是核武器的研製和核電站的發展，更加推動了同位素化學的發展。

分布

同位素分布規律的研究有以下四個方面：①同位素穩定性規律,研究地球上存在的300多種核素的穩定範圍和穩定性規律（見穩定同位素）；②同位素豐度，研究地球物質中各種元素的同位素豐度的一般規律；③地球上同位素分布的漲落，在自然界中，元素不論是游離狀態還是化合狀態，其同位素組成基本是恆定的，其漲落規律是同位素化學的研究課題之一；④元素的起源和演化，為了弄清宇宙中各種同位素分布規律，就必須研究元素的起源和演化過程。

分離

根據分離原理可分為五類：①根據分子或離子的質量差進行分離，有電磁法、離心分離等方法。②根據分子或離子運動速度的不同進行分離，有孔膜擴散、質量擴散、熱擴散、噴嘴擴散、分子蒸餾、電泳等方法。③根據熱力學同位素效應進行分離，有精餾、化學交換、氣相色譜、離子交換、吸收、溶劑萃取、分級結晶、超流動性等方法。④根據動力學同位素效應進行分離，有電解法、同位素化學交換法、光化學法、雷射分離法等。⑤根據生物學同位素效應進行分離。（見同位素分離、鈾同位素分離）

分析

用於同位素分析的方法有： ①質譜法，是最重要的同位素分析法， 不僅精密度高， 而且可分析同位素的種類也多。 ②光譜法， 用於分析氘的精密度達0.0002%，可與質譜法相比；是分析氮15最方便的方法,已有專門的光譜儀生產;分析鈾235和鈾238則須用大型光柵攝譜儀。③氣相色譜法，用於分析氕、氘，迅速而靈敏，可測全部濃度範圍的氘含量。④核磁共振譜法,用於測量濃重水中的微量氕,精密度可達±0.01%，也可用於分析碳13、氮15等同位素。⑤中子活化分析，可用於測定硼10、鋰6和鈾235等同位素。⑥水的同位素分析，在同位素分析中占有獨特地位，這不僅出於控制重水生產流程的需要，也為了解決在同位素地球化學以及其他用氘和氧18示蹤的研究工作中的問題。水同位素分析中最有實效的方法是密度法,不僅儀器設備簡單,而且測量精度很高，此外還有紅外光譜法。

中國科學院同位素年代學和地球化學

效應

可分為四個研究方面：①光譜同位素效應，因同位素核質量的不同使原子或分子的能級發生變化，從而引起光譜譜線位移。這一效應不僅用於分析同位素，更重要的是用於研究分子結構。②熱力學同位素效應，同位素的質量差別越大，其物理、化學性質的差別也越大，是輕同位素分離的理論基礎。③動力學同位素效應,同位素的取代使反應物的能態發生變化,可引起化學反應速率的差異。此效應能用於分離同位素、研究化學反應機理和溶液理論。④生物學同位素效應，在生物學同位素效應中，以氘的效應最為顯著，尚未觀察到碳13、氮15和氧18等生命重要元素的重同位素有顯著的生物學同位素效應。（見同位素效應）。

研究內容

同位素化學的主要研究內容包括同位素的分布、同位素分析、同位素分離、同位素效應。

學科套用

主要是利用化學合成法、同位素交換法和生物合成法等製備標記化合物，以及標記化合物在化學、生物學、醫學和農業科學研究中的套用。

學科間區別

同位素化學是研究同位素在自然界的分布、同位素分析、同位素分離、同位素效應和同位素套用的化學分支學科。同位素地球化學是研究地殼中或地表各類岩石、礦物及各種沉積物、大氣、水體中同位素含量及變化的學科，根據同位素的種類，主要包括穩定同位素（如碳、氫、氧、氮、硫等）及放射性同位素。同位素由於具有非常高的地質穩定性，已廣泛套用於地質年齡的確定、成礦物質的示蹤及成礦物質的來源等方面。中國同位素地球化學資料庫，以中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學重點實驗室、有機地球化學國家重點實驗室、岩石學實驗室、岩石化學分析實驗室及礦床實驗室長期積累的各類岩石、礦物、礦石、包裹體、水體、土壤、沉積物及大氣樣品的碳、氫、氧同位素及鉛、銣、鍶、鉀、氬同位素數據為主要數據源，並收集國內外研究文獻而建成。資料庫可以實驗室這些數據的模糊查詢。可以廣泛套用於地質年齡確定、礦產資源評估、沉積學、油氣、地球化學及環境保護與研究等各個領域。

放射化學是研究放射性物質，及與原子核轉變過程相關的化學問題的化學分支學科。放射化學與原子核物理對應地關聯和交織在一起，成為核科學技術的兩個兄弟學科。放射化學主要研究放射性核素的製備、分離、純化、鑑定和它們在極低濃度時的化學狀態、核轉變產物的性質和行為，以及放射性核素在各學科領域中的套用等。20世紀60年代以來，放射化學主要圍繞核能的開發、生產、套用以及隨之而來的環境等問題，開展基礎性、開發性和套用性的研究。