同位素化学的研究内容
同位素化学的主要内容包括同位素的分布、同位素分析、同位素分离、同位素效应四个方面。
同位素分布规律的研究主要有:同位素稳定性规律,研究地球上存在的300多种核素的稳定范围和稳定性规律;同位素丰度是研究地球物质中各种元素的同位素丰度的一般规律;地球上同位素分布的涨落。
在自然界中,元素不论是游离状态还是化合状态,其同位素组成基本是恒定的,其涨落规律是同位素化学的研究课题之一;为了弄清宇宙中各种同位素分布规律,就必须研究元素的起源和演化过程。
用于同位素分析的方法有:质谱法,这是最重要的同位素分析法,不仅精密度高,而且可分析同位素的种类也多;光谱法;气相色谱法,用于分析氕、氘,迅速而灵敏,可测全部浓度范围的氘含量;核磁共振谱法,用于测量浓重水中的微量氕,精密度可达±0.01%,也可用于分析碳13、氮15等同位素;中子活化分析,可用于测定硼10和铀235等同位素。
水的同位素分析在同位素分析中占有独特地位,这不仅出于控制重水生产流程的需要,也为了解决在同位素地球化学以及其他用氘和氧18示踪的研究工作中的问题。水同位素分析中最有实效的方法是密度法,不仅仪器设备简单,而且测量精度很高,此外还有红外光谱法。
根据同位素分离原理,一般有五种同位素的分离技术:根据分子或离子的质量差进行分离,有电磁法、离心分离等方法;根据分子或离子运动速度的不同进行分离,有孔膜扩散、质量扩散、热扩散、喷嘴扩散、分子蒸馏、电泳等方法;根据热力学同位素效而进行分离,有精馏化学交换、气相色谱、离子交换、吸收、溶剂萃取、分级结晶、超流动性等方法;根据动力学同位素效应进行分离,有电解法、同位素化学交换法、光化学法、激光分离法等;根据生物学同位素效应进行分离。
对于同位素效应方面的研究一般可分为四个研究方面:光谱同位素效应。因同位素核质量的不同使原子或分子的能级发生变化,从而引起光谱谱线位移,这一效应不仅用于分析同位素,更重要的是用于研究分子结构。
热力学同位素效应。同位素的质量差别越大,其物理、化学性质的差别也越大,是轻同位素分离的理论基础;
动力学同位素效应。同位素的取代使反应物的能态发生变化,可引起化学反应速率的差异。
此效应能用于分离同位素、研究化学反应机理和溶液理论;
生物学同位素效应。在生物学同位素效应中,以氘的效应最为显著,尚未观察到碳13、氮15和氧18等生命重要元素的重同位素有显著的生物学同位素效应。
同位素化学在应用上主要是利用化学合成法、同位素交换法和生物合成法等制备标记化合物,以及标记化合物在化学、生物学、医学和农业科学研究中的应用。
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