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）28-0168-01

1.同位素概述

同一元素的原子核中包含不同中子数的元素称为同位素（osi opots = 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， 8， 20， 28， 50， 82， 和 126的核素，具有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别，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）中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，例如大气降水，当它所处的环境不同（如高度、纬度）或状态不同（如气态、液态、固态）时，其中的同位素含量（如D、18O）也有差异，有时差别还相当大。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δ值来表示。

3.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，自然界中常见的只有三种：16O、17O、18O，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17O的浓度几乎不能为我们提供任何水文信息，相关的水文信息可以通过研究18O的变化获得，18O的丰度较大，具有更准确的可测量性。

4.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13CO2 和12CO2）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别。这种同位素之间存在差别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 = 1/2mv2 （k = Boltzmann 常数， T = 绝对温度， m= 分子质量， v = 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1/2mv2。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，随距离的减少而急剧增加（～ 1/r13）。另一种力为吸引力，随距离的减小缓慢增加（离子晶体间（～ 1/r2），不带电微粒间（～ 1/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。

5.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。在与纸面垂直的磁场中不 同质量的同位素离子被分离，然后分别被收集器收集。产生的电流能够很精确的测出。质谱仪能够根据质量的不同把原子或离子分开并测出他们的相对丰度。正离子经高压加速后进入与电场垂直的磁场，然后，在洛仑兹力的作用下做匀速圆周运动。圆半径的大小取决于离子的质量：质量越大半径越大。这样不同质量的同位素就分别被收集。在收集器中离子失去电荷，产生电流，这些电流能测出。

在地质年代和考古年代中，所用的年龄一般都是14C年龄。按照国际惯例，对惯用14C年龄的定义要以以下几方面为基础：

1）最初的14C放射性（1950）

2）14C放射性必须对分馏标准化

3）必须用到5568这个原始半衰期

则由此来计算年龄：

惯例年龄 = C8033 ln 14aN

这里定义的14C时间坐标是1950年。为了得到历史（校准后的）年龄（calAD， calBC， calBP）必须对这个时间坐标进行修正。

6.同位素在水文中的应用

大气降水是地下水的主要补给源，它的D和18O的含量变化幅度较大，它的分布规律是：

1）纬度效应，稳定同位素含量随纬度增加而减少;

2）陆地效应，δD和δ18O值由海岸向内陆方向递减;

3）季节效应，D和18O含量随季节变化，一般气温越低，重同位素含量越低，但有时也有相反的情况;

4）高程效应，δD和δ18O值随海拔高度增加而下降。

根据以上同位素的四个效应，可以利用同位素作为示踪剂，然后通过测量水样中同位素例如δD和δ18O的含量判断水的来源、地下水的补给情况以及大坝渗漏等情况。

现场单位体积水的收集、带到或送到研究水的质量的同位素实验室制样、运输和存贮中最关心的问题是由于水的蒸发而引起的同位素分馏、水分的蒸发而造成的同位素的扩散或者与周围环境（桶的材料）进行同位素交换。这些影响可以用适当的收集方法和使用适当的瓶子减小到最小。仔细的选择及测试实验方法和瓶子应在早期完成。

下面讲述对于要制成样品的各种类型水（降雨、地表水、地下水）都有用的良好的现场实验方法：

经常用一现场记录本记下所观察到的现象和在采样单上记下样品编号，并将其交给实验室。

运用GPS 、国家坐标系统、地图或航空照片等决定样品的地理坐标。

测量地下水的深度、海拔、样品距地下水面或水面的深度、井流情况、雨量情况、河流或自流井的流量，湖水水位、天气情况等。

参考文献

1.曹琼英，沈得勋。第四代年代学及实验技术。南京大学出版社，1988

2.徐馨，何才华，沈志达。第四代环境研究方法。贵州科技出版社，1992