现代测试技术——稳定同位素地球化学分析本课主要参考书：内容提要：第一章：前言发展历史一：1898年，居里发现放射性现象，人们开始注意到有些化学性质相同的元素有不同的原子量。1910年，F.Soddy（索迪）等对同位素的概念作了论述。1918—1919年，A.J.Dempster（丹普斯特）和F.W.Aston研究出了质谱仪，从而大大推动了同位素的研究，但由于基本理论不成熟，仪器分析误差较大，经常出现与实际不相符的结论，研究进展缓慢。1939年A.D.Nier（尼尔）研究成功比值质谱计，大大提高了同位素比值的测量精度。1947年，H.C.Urey（尤里）发表了《同位素物质热力学性质》，从而奠定了同位素分馏的理论依据。发展历史二：50年代后期，一些技术先进的国家，如英、美、苏等国家先后建立了C、H、O、S等同位素实验室，并作了大量的地球化学研究，但此时，由于无统一的标准，各实验室数据很难比较。60年代，PDB，SMOW，CDT先后被定义为国际通用标准，各实验室之间的数据得以相互比较，所以研究资料得到了充分利用。70年代，同位素地球化学的发展特别迅速，并深入到地质科学的各个领域，由于分析精度的提高，有效地解决了各种地质问题，同时各种分析理论，样品分离制备技术不断完善，质谱仪分析精度不断提高，以及各种基本理论研究的进展，标志着同位素地质学科作为一门独立学科已经基本形成。发展历史:发展历史：中国二、同位素地质的研究内容2、研究内容：（1）轻元素的同位素地球化学：C、H、O、S、N等质量较小，稳定同位素质量差异相对较大，物理化学及热力学性质差异较明显，在自然界的各种物理、化学作用过程中会发生明显的同位素分馏效应，动力及交换反应是引起同位素丰度发生变化的主要原因，主要用来研究地壳和地表的各种地质作用特别有效，测温是它们特有的效能。（2）重元素的稳定同位素地球化学锶87Sr、钕148Nd、铅Pb等质量较大，质量相对差异较小，同位素组成与物理化学作用无关，主要受238U、Th232、87Rb、147Sm等放射性母体的丰度变化，衰变常数及时间的限制，所以主要用来研究地壳深部、上地幔作用特别有效，测年是其独特的专长。（3）惰性气体同位素地球化学He、Ne、Ar、Kr、Xe的同位素变化和衰变、裂变、核反应等与自然界核转变过程有关，受射线强度（宇宙射线）、照射时间、扩散作用等因素控制，主要用来研究大气圈、生物圈等。第二章同位素地球化学的基本原理§2.1基本概念§2.2同位素组成的变化机理§2-3同位素组成及表示方法§2.1基本概念3、同位素丰度——是指自然界存在的某一元素中各同位素所占的原子百分比。如：14N15N16O17O18O204Pb206Pb99.630.3799.760.040.201.424.1同位素丰度是变化的，元素越轻，同位素丰度变化越大，自然界中H的同位素丰度变化最大，稳定同位素地球化学的主要研究方法就是根据自然界地质样品中同位素丰度的变化来研究地质过程中发生的各种物理、化学变化的规律性。4、同位素效应——由于同位素不同，引起单质或化合物在物理、化学性质上发生变化的现象称为同位素效应。同位素质量上的差异是引起同位素效应的根本原因，H、D，100%同位素效应最大§2.2同位素组成的变化机理一、同位素分馏（二）两种物质间同位素分馏的程度以同位素分馏系数α表示，分馏系数又称分离系数。同位素分馏系数——两种物质间同位素分馏的程度又称为分馏系数。αA-B=RA/RBRA,RB分别表示两种物质中的同位素比值。（三）同位素分馏的分类例如：典型的同位素交换反应可表示为：0X,*X分别表示某一元素的较轻同位素和较重同位素。A，B指参与反应的原子，原子团或分子数目在同位素交换反应中，引起反应物发生同位素交换的原因是元素的不同同位素在化学性质上的差异，这种差异与含不同同位素的物质的热力学参数（自由能，熵）有关。对于同位素交换反应，同样可用平衡常数来表示在同位素交换反应过程中的各同位素分子之间平衡浓度的关系，例，对上式达到同位素交换平衡时，平衡常数K可表示为：K=[A*X][B0X]/[A0X][B*X]K可由两种途径获得：一是通过实验测定交换达到平衡时各组分的浓度，二是热力学原理进行理论计算。平衡常数和分馏系数的概念是不同的。平衡常数（k）是对某一个给定的反应而言，它代表各组分在平衡时的浓度关系。分馏系数（α）是对某一个分离过程而言，它代表把一个体系分离成两部分时，同位素浓度分布的比例关系，该分离过程可以是平衡或不平衡的同位素交换反应，也可以不是同位素交换反应，可能只有一个反应，也可能包括几个反应。平衡常数和分馏系数（α）：α=K1/nn—可交换原子的最大数值（2）蒸气压不同