易司拓普同位素
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同位素地球化学的标准样是如何选择的?又如何使用

作者:小编 日期:2020-09-28 14:07:08 点击数:

首先,什么是同位素?具有同样的质子数和不同中子数的化学元素互为同位素。同位素有放射性同位素和稳定同位素两种:
a. 放射性同位素是指不稳定的同位素,他们会随着时间的迁移而逐渐衰变成另外一种元素,或同种元素的另一种同位素(例如U235衰变能引起核反应);
b. 稳定同位素就是不衰变或者半衰期非常长的同位素。

题主都提到了同位素标样的说法,那就应该是指稳定同位素。

关于选择标准你列出来的四条标准已经说的很明确(我也同意):
①在世界范围内居于该同位素成分变化的中间位,可以做为零点;
②标准样品的同位素成分要均一;
③标准样品要有足的数量;
④标准样够品易于进行化学处理和同位素测定。

因此就主要是讨论一下不同稳定同位素的标样的具体选择原因。

注:下文中元素符号后面跟的数字是指元素的原子量,即中子数和质子数之和。

1. 氢(H)
自然界常见的共三种同位素(不包括实验室合成的,下同),并被分别命名为氕(H1), 氘(H2)和氚(H3) (享受此待遇的元素不多)。自然界中同位素的相对含量分别为 H1 = 98.85%, H2 = 1.15%, H3 是放射性同位素,含量很低。
1)全球海洋平均标准(Standard Mean Ocean Water, SMOW)。因为其 成分处于中间位(可以认为海洋是地球上各种水源的混合体),量大,均一,易采集和分析,满足四项条件当之无愧的成为了标准样。
注意:SMOW并不是直接采集海水就拿回实验室当作标样用了,中间还要经过脱盐等一系列环节的前处理。出品第一批SMOW之后,后续生产的SMOW都要与第一批进行标定才能发往全世界的实验室去使用。而标样的制作通常是由国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA),欧洲参考物质测量研究所(European Institute for Reference Materials and Measurements, IRMM) 和美国国家标准技术研究所(American National Institution of Standard and Technology, NIST) 这样的国际知名机构来制作完成的。

2. 氧(O)
三种常见的稳定同位素:O16 (99.76%), O17 (0.0307%), O18 (0.204%)
标样常见的有两个:
1) SMOW
2) Pee Dee formation Belemnite(PDB),即 Pee Dee构造里包含的箭石里的氧同位素的组成。选择第二个标样的原因是①,对于一些低温下形成的碳酸盐来说,SMOW的氧同位素不代表中间位,因此用PDB更合适。但是PDB有个致命缺点,就是量太少了,因此被用完后,只能采用实验室合成的跟PDB具有相同同位素组成的物质作为PDB标样才能继续使用。

3. 碳(C)
两种常见的稳定同位素: C12 (98.89%) 和 C13 (1.11%)。另C14属于放射性同位素,在考古学上的应用非常广泛。
1)PDB。PDB是一种化石,包含有C和O两种元素,因此可以作为C和O的标样。
记得多年前听老师说中国在制作一套以钟乳石(CaCO3)为基础的标样,为此很多学校测了大江南北很多溶洞的钟乳石数据,也不知道现在怎么样了

4. 硫(S)
四种常见的稳定同位素:S32 (95%), S33 (0.75%), S34 (4.21%)和S36 (0.02%)
1)Canyon Diablo Troilite (CDT). Triolite (FeS) 是一种是包裹在Canyon Diablo陨石里面的硫化铁矿物。用了十多年以后,大家发现CDT里的硫同位素含量并不完全均一,因此被弃用。
2)合成硫化银(Synthetic Silver Sulfide, Ag2S). 是由IAEA合成的人造标样。

5. 氮(N)
两种常见的同位素:N14 (99.63%) 和 N15 (0.37%)。
1)地表氮气(AIR). 空气中氮气含量约为79%,跟SMOW类似,成分处于中间位,量大,均一而且容易测量的地表的N2自然而然就成了标样。

以上五个是地球化学领域用得比较多的稳定同位素。随着最近分析技术的发展,越来越多以前不易测量的同位素(包括大量过渡金属的同位素),引起了科学家们的关注,并被用来分析不同的地球化学过程。

例如:
锂  (Li) ----L-SEVC (Li isotope prepared by H. Sevc). 合成的锂碳酸盐矿物,最近也有研究用它来作为C同位素的标样。
硼  (B) ----NBS-951. 实验室合成物质
氯 (Cl) ---- SMOC. 全世界海洋平均氯组成
惰性气体(He Ne Ar Ke Xe Rn) ----通常采用空气中相应同位素的平均值作为标样。
等等...

还有一些奇葩的元素,例如:锶(Sr)的稳定同位素,在表示的时候习惯上不去跟标样进行对比,而是直接采用数字表示。

总之,如果能采用大量存在的均匀自然样就会采用,不行的话就由IAEA,NIST等机构在实验室合成,而后者占了大多数。


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