同位素丰度的变化

尽管同位素丰度相当恒定的整个太阳系,确实发生了变化。稳定同位素丰度的变化通常是不到1%,但是他们可以更大。无论他们的大小,他们为地质学家和天文学家提供有价值的线索的历史研究的对象。几种不同的进程可以导致丰度不同,其中放射性衰变和质量分馏(见下文)。

放射性衰变

这个过程的一个同位素变异一样一个元素到另一个的一个同位素;例如,40 (⁴⁰argon-40 K) (⁴⁰基于“增大化现实”技术)或铀- 235(^235年领导- 207 (U)^207年Pb)。因此,同位素作文女儿的元素产生的放射性decay-argon或在不同样本的情况下cited-may有着很大的差别。变得特别明显的变化,当所研究的材料形式只有少量的最初的女儿元素礼物。的同位素组成氩在地球的大气层是一个很好的例子。

相对于恒星或计划丰度、大气氩包含一个高得多的比例⁴⁰基于“增大化现实”技术和更少的³⁶基于“增大化现实”技术,³⁸基于“增大化现实”技术的,多余的⁴⁰基于“增大化现实”技术在大气中显然泄露地壳的岩石和其他potassium-bearing材料产生的衰变的⁴⁰k .因为地球被困相对少量的大规模地正常氩在吸积⁴⁰Ar生成之后,大气中放射性衰变主导同位素模式。

质量分馏

物理和/或化学过程影响不同元素的同位素。当系统的影响,为稳步增加或减少质量数同位素丰度的增加,新模式是对一些标准质量分馏模式。小fractionations-a几个百分比或地区正常同位素比率米_h/米_lΔ变化的数量成正比米=米_h- - - - - -米_l,在那里米_l是轻同位素的质量。为氧气接受质量分馏的百分比变化比率¹⁸O /¹⁶O应该比两倍¹⁷O /¹⁶o .有时一组样品将从一个形式储层但在每一个经历过不同程度的质量分馏。一个同位素比率的图表,米_h/米_l,第二,米_h′/米_l,将会产生一条直线的斜率(米_h- - - - - -米_l)/ (米_h′- - - - - -米_l)。如此重要的情节发现在决定是否使用组对象起源于一个共同的来源和这些组织是如何进化的。当样品的氧同位素丰度的地球和月球被认为通过这种方式,结果表明行星及其卫星是一个家庭的成员的对象不同于大多数陨石所属的家庭。

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元素:同位素的存在

其它原因造成的同位素丰度变化

其他原因可能导致观察到的同位素丰度的变化。首先,在罕见的情况下,材料可以保护同位素签名不寻常的材料从其他恒星。特别是某些陨石包含微观钻石和碳化硅谷物认为早在太阳系的形成。这些谷物逃脱彻底混合平均太阳系问题由于他们抵抗热处理和化学反应。第二,行星大气和真空的身体表面的太阳系中经历强烈的由高能粒子辐射,从而影响他们的同位素作文。最后,某些类型的化学反应引起的光会导致同位素组成的变化。

物理性质与同位素

一般来说,不同的同位素的属性可以归结为两个原因:差异质量或者在核结构差异。科学家通常将前者称为同位素效应,后者由多种更专业的名字。的同位素氦承受这两种类型的例子。质量效应被认为是第一个。

氦有两个稳定的同位素,³他和⁴他和存在气态在正常情况下。在给定的温度和压强下,任何的体积⁴他将重量比同样体积的三分之一³他。更普遍的是,同样的空间分布的原子,这种物质的重同位素预计将有更大的密度。当氘,²₁H代替氢,¹₁H,形成重水,²₁H₂啊,它的密度约为10%比正常的H₂O。

第二个不同原子速度直接相关的质量问题。较轻的物种在更高的平均速度。原子的³他平均移动速度比气体的15%⁴他在相同的温度。许多其他属性取决于原子运动,如热导率和粘度的气体,清单可预测的同位素效应。

对比扩展行为的氦同位素液体和固体状态,是由于质量和核结构的影响。的图氦是stable-i.e显示了哪些国家或阶段。,which ones actually occur at various temperatures and pressures. The lines on the diagrams delimit the ranges of stability of each phase. Although there are many similarities between the two diagrams, close examination reveals that they do not match up either quantitatively (in the positions of the lines) or qualitatively (in the types and numbers of phases at the lowest temperatures). It will be noted that³他形式三个区分哪两个是超流体(液体阶段看到超流态),而⁴他可能只存在两种不同的液体的哪一个是超流体。与所有其他元素的同位素元素周期表,既不³他和⁴他巩固了在低压力下附近的温度绝对零度,0 K (K) (−273°C,或−459°F)。

其他几个同位素之间的差异取决于核结构而非核质量。首先,放射性物质相互作用的结果,独特的核,核之间的静电力和中子,质子,电子。例如,Helium-6放射性,而氦- 4是稳定的。第二,原子核中的质子的空间分布以可衡量的方式影响周围电子的行为。添加一个中子允许一个同位素的原子核的质子扩散,占据更大的空间区域。额外的中子也可能导致核假设nonspherical形状。任何电子花时间接近原子核将对这些变化敏感。特别是,核电荷的新分布变化的方式(或者更严格,电子原子作为一个整体)发出或吸收光。最后,细胞核角动量或自旋。这个词自旋源于一个简单的照片核作为质子和中子的粗笨的球旋转的轴。数量和质子和中子在原子核的安排确定其旋转,旋转相应的较高的大致速度旋转。大约一半的稳定的原子核有非零的自旋;因此他们充当小磁铁,一个事实有深远的影响。科学家经常描述原子核的磁特性的数量自旋核磁矩(密切相关看到核磁共振)。原子核的核磁矩越大,越核会“感觉”的力量施加任何附近的磁铁。例如,氢核,¹H,氚核,³H,对同一核磁矩和反应同样当放置在马蹄形磁铁的两极之间。相比之下,同样的马蹄形磁铁将影响一个氘原子核(²H)和原子核的两倍¹²C原子,它没有旋转,不客气。

影响同位素的原子和分子光谱

研究原子和分子的相互作用电磁辐射可见光是一种形式,被称为光谱学。光谱学同位素的理解作出了巨大贡献,反之亦然。的程度特征(即光谱的原子或分子。,the light emitted or absorbed by it) is regarded as a physical property, the special relation between spectroscopy and isotopy warrants individual treatment here.

通常原子吸收或发射光只在特定的频率。量子力学解释这个观察一般地与每个原子(或分子)通过关联定义良好的状态的能量。原子可能通过从一个状态到另一个只有当能源供应(或删除)分离一个状态量。

精确测量的光元素的同位素显示小而发出的显著差异称为转移通过光谱学家。总的来说,这些变化非常小。他们起源于质量和核结构的影响。由于质量影响最大的轻同位素。随着核质量增加,他们1 /减少的数额大致成正比一个²更重的元素,变得微不足道。

由于核结构主要涉及影响角动量,磁矩,所谓的电四极矩的细胞核。后者措施偏离球形的电荷分布。磁矩和随之而来的影响形成的基础核磁共振(核磁共振),一个领域,已经成为非常重要的许多分支科学。

一旦感兴趣的主要是理论物理学家和化学家,核磁共振的方法现在发现广泛的应用医学成像设施。在一个简单的实验核磁共振,tubeful液态甲烷,¹²C¹H₄,在较低的温度下,可能设置一个非常强大的外部磁铁的两极之间。根据法律量子力学的轴¹H核东方自己的只有两个可能的方向。的“两极”¹H核可以排队(大约)与外部磁铁,北北和南南;或者两极的两套可能反对对方,当指南针针践踏人权地球的磁场。前取向(NN和年代S)有更高的能量。一个¹H核在较低能级可以移动到的高能状态通过吸收光。今天使用的磁铁,光在无线电波的一部分电磁波谱携带适量的能量引起的转换,即,to flip the nucleus on its axis. The task of the NMR spectroscopist is to determine precisely which frequencies make nuclear spin changes occur and with what likelihood. Results may be reported as “NMR spectra,” graphs that show the probability that any given frequency of light will induce a transition. The巨大的力量的核磁共振来源于观察光谱反映分子的结构研究,也就是说,分子中原子的连接。例如,在分子甲醇,CH₃哦,三个氢原子结合碳,C,和一个原子氢与氧结合,o .广泛(低分辨率)的峰值在两个不同的频率质子甲醇的NMR谱显示存在两种不同的化学物质环境为氢。数学区别频率,调整考虑外部的力量磁场是光谱学家称之为化学位移的一个例子。化学家是指图书馆发表的化学变化来识别未知的物质存在于样品成分和推断新合成的分子的结构。核磁共振研究包括核受欢迎¹H,¹³C,¹⁵N,¹⁷啊,,^31日P。