氢及同位素
在《元素周期律表》中，排在第一位的元素就是——氕p i ē
（氢）。氢的同位素有2个：氘dāo 、氚chuān 。 一、氕
氕（1H ）通常称为氢。原子核中只有1个质子（没有中子）。氕是宇宙中最多的元素，在地球上的含量仅次于氧。主要分布在：水、各种碳氢化合物中。 氕的原子序数为：1。
原子量为：1.007947。
在常温常压的标准状态下，为无色无臭的气体。
液态氕的沸点为：-252.8℃。
固态氕的熔点为：-259.2℃。
在气体中，它的导热系数最大。微溶于水和有机溶剂，易溶于金属钯中。高温下，能透过钢等材料。
氕的制法：主要是用天然水电解、甲烷裂解和水煤气法等。
二、氘
氘（2H ）为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢。原子核由1个质子和1个中子组成。在大自然中的含量，一般约为氢的1/7000，可以用于热核反应。 重氢的质量数为2。在常温常压下为无色、无嗅、无毒、可燃性气体。化学性质与氕完全相同。但是，由于质量大，反应速度小一些。
三、氚
氚（3H ）是氢的一种放射性同位素，也被称为超重氢。原子核由1个质子和2个中子组成。自然界中存在极微少。主要用于热核反应。
超重氢的质量数为3。具有放射性。但是，由于氚的β衰变，只会放出高速移动的电子，不会穿透人体。因此，人体只有大量地吸入氚，才会有害。
四、氘氚聚合
氘、氚2个轻原子核，在高温高压下，发生聚变反应，瞬时释放出巨大能量，也称为核聚变。
用高爆炸弹引爆原子弹，再用原子弹来引爆氢弹。也就是说：“高爆炸弹是原子弹的雷管。原子弹则是氢弹的雷管。”
原子弹通常为几百~几万吨级TNT 当量。氢弹则可大至几千万吨级TNT 当量。
苏联引爆的5500万吨级氢弹，是世界上威力最大的。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 03 第三章(氢氧同位素) Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes第三章氢氧稳定同位素Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes 1/ 49
轻元素稳定同位素的基本特点1.原子量低，一般小于36。 2.同位素相对质量差大。 3.形成共价键，键性与同位素分馏有很大关系。 4.化学价可变，在化合价变化过程中会发生大的同位素分馏 5.小丰度同位素的相对丰度为千分之几到百分之几，便于精确测定。 研究稳定同位素的组成特征、变化机理、分馏原理并应用它们作为地球化学示踪剂研究各种地质过程Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ Outline1.氢氧同位素概述 2.天然水的氢氧同位素组成及分布特征3.氢氧稳定同位素的应用Theory, Technique and Application of Environmental Isotopes 3/ 49
第22卷 第4期世 界 林 业 研 究Vol.22 No.4 2009年8月World Forestry Research Aug12009 氢氧碳稳定同位素在植物水分利用策略研究中的应用3 徐 庆1 冀春雷1 王海英1 李 旸2 (1中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091; 2中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091) 摘要:综述了氢氧碳稳定同位素的概念、示踪原理及其应用于定量确定植物水分来源、水分利用格局和水分利用效率等方面研究进展。同时展望了全球气候变化条件下,氢氧碳多种稳定同位素联合示踪先进技术在定量研究植物水分利用策略以及植被对全球气候变化的响应机制研究中的应用前景。 关键词:氢氧碳稳定同位素,植物水分来源,水分利用效率,水分利用策略 中图分类号:S718.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2009)04-0041-06 Use of St able Isotopes of Hydrogen,O xygen and Carbon to I den ti fy W a ter Use Stra tegy by Pl an ts Xu Q ing1 J i Chunlei1 W ang Haiying1 L i yang2 (1Research I nstitute of Forest Ecol ogy,Envir on ment and Pr otecti on,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2Research I nstitute of Wood I ndustry,Chinese Academy of Forestry,Beijing100091,China) Abstract:Stable is ot op ic technol ogy is a ne w method t o deter m ine s ources and utilizati on patterns of p lant water.The main advantage of this technol ogy is that it can p r ovide results of relatively high ac2 curacy and sensitivity.The pur pose of this paper is t o p resent an overvie w of the concep ts and theory of stable is ot ope tracing,and the methods of using stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon t o quantify s ources of p lant water and pattern and efficiency of p lant water use.This paper uses s ome exa mp les t o demonstrate how the stable is ot op ic technol ogy may be used t o address different issues re2 lated t o p lant water use strategies,and p r ovides s ome pers pectives on app licati ons of the advanced technol ogy of si m ultaneously tracing multi p le stable is ot opes(hydr ogen,oxygen and carbon)in stud2 ying mechanis m s of potential vegetati on res ponses t o gl obal cli m ate change. Key words:stable is ot opes of hydr ogen,oxygen and carbon,water s ource of p lant,water use effi2 ciency,water use strategy 水是植物生命活动中最活跃的成分之一,对植物生长发育、数量和分布具有显著影响,尤其在干旱和半干旱地区,水成为植物生长的主要限制因子[1]。全球气候变化的一个重要方面是区域降雨格局的变化[2],植物吸收和利用水分的模式一定程度上决定了生态系统对环境水分状况发生改变时的响应结果[3],因此,对植物水分利用策略及水分来源的了解,将有助于我们了解和预测降雨格局变化导致未来植被时空变化的规律[4],有助于林业科技人员根据生境选择合适的造林树种进行植被建设和恢复工作。氢氧碳稳定同位素示踪技术有较高的灵敏度与准确性,为定量研究植物水分来源,水分利用格局和水分利用效率等提供了新的技术手段。 3收稿日期:2009-04-30 基金项目:国家自然基金项目(30771712);“十一五”林业科技支撑项目(2006BAD03A04);948项目(2006-4-04) 作者简介:徐庆,女,中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所副研究员,博士,研究方向:稳定同位素生态学,E-mail:xu2 qing@https://www.doczj.com/doc/e212202374.html,
1.同位素地球化学：研究地壳和地球中核素的形成丰度及其在地质作用中分馏和衰变规律，并利用这些规律解决有关地质地球化学问题的学科。 2.核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。 3.同量异位数：质子数不同而质量数相同的一组核素。 4.稳定同位素：目前技术条件下无可测放射性的元素。 5.放射性同位素：能自发的放出粒子并衰变为另一种核素的同位素。 6.重稳定同位素：质子数大于20的稳定同位素。 7.亲稳定同位素：质子数小于20的稳定同位素。 8.同位素效应：由同位素质量引起的物理和化学性质的差异。 9.同位素分馏：在同一系统中某些元素的同位素以不同的比值分配到两种物质或相态中的现象。 10.同位素热力学分馏：系统稳定时，导致轻重同位素在各化合物或物相中的分配差异。 11.同位素动力学分馏：不同的元素组成的分子具有不同的质量，由此而引起扩散速度、化学反应速度上的差异，由这种差异所产生的分馏效应称为同位素动力学分馏。 12.纬度效应：温度效应，随纬度升高，大气降水中的δD，δ18O降低。 13.大陆效应：海岸线效应，从海岸线到大陆内部，大气降水的δD，δ18O降低。14.高度效应：岁地形增高，大气降水δD，δ18O降低。 15.季节效应：夏季，大气降水δD，δ18O比冬季高。 16.岩浆水：与高温岩浆处于热力学平衡的水，其中来自地幔，与铁、镁超基性平衡的水称为原生水。 17.半衰期：母核衰变为其原子核数一半，所经历的时间。 18.原生铅：指地球物质形成之前，在宇宙原子核合成过程中，与其他元素同时形成的铅。 19.原始铅：地球形成最初时期的铅。 20.初始铅：（普通铅、正常铅）U/Pb、Th/Pb比值低的矿物和岩石中任何形式的铅。 21.异常铅：一种放射性成因铅含量升高的铅。 22.矿石铅：一般是指硫化物矿中所含的铅。 23.岩石铅：火成岩和其他岩石中所含的铅。 24.BABI：目前公认玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）。代表地球形成时的初始比值，其值为0.69897+-0.00003
氢氧稳定同位素在水团混合计算中的应用初探 氢氧稳定同位素作为天然示踪剂，研究降水与地表水的混合作用、地表水与地下水的补给作用以及地表水之间的相互作用等过程中具有重要作用，通过二源线性混合模型可以计算二源和三源水团混合过程中端元的贡献率，而在计算多源混合过程中，则需要采用局部分析或者补充其他示踪剂等方式来综合计算。 标签：稳定同位素；水体贡献率；二源线性混合模型 近年來，河流和湖泊水体的富营养化问题日益严重，尤其对于大中型水库而言，库区干流水体营养状态良好，而支流大多保持中营养状态或者富营养化状态，部分支流呈现重度富营养化状态。研究表明，水体富营养化状态主要由营养物质的输入以及水动力条件的变化两方面导致，水作为营养物质的载体以及藻类植物的生长繁衍环境，其自身的运动转移过程直接影响到水体中营养盐的迁移和转化，以及对藻类植物生长繁殖过程的控制，因此计算水体内不同水团的混合比率对于研究水体富营养化状态有着重要意义。目前，氢氧同位素作为一种稳定示踪剂，在河川径流、降雨径流、水源划分以及植物体水分输出等研究方面应用较广[1]，不同水体具有不同的氢氧同位素特征，因此可以利用氢氧稳定同位素来计算河流和湖泊不同水团混合过程中各水源的贡献率。 1 氢氧稳定同位素的天然示踪效果 氢氧同位素均称为稳定同位素，这是因为以水分子存在的D和18O在常温（低于40摄氏度）下非常稳定，很难与接触到的有机质或矿物发生反应，而影响其含量。氢氧稳定同位素在自然界中含量极低，一般的表达方式较为复杂，因此，国际上规定统一采用待测样品中某元素的同位素比值（R）与标准样品中的同位素的相应同位素比值（R标准）的相对千分差作为量度，记为δ（‰）值[2]，即 δ=（R/R标准-1）×1000 式中：R是样品中元素的重轻同位素丰度之比，如（D/H）和（18O/16O）；R标准是国际通用标准物的重轻同位素丰度之比，如（D/H）标准和（18O/16O）标准，一般水体中氢氧同位素测定标准采用国际原子能机构（IAEA）颁布的平均标准大洋水（Standard Mean Ocean Water，即SMOW），而后IAEA通过海水蒸馏后加入其他水配置的，非常接近SMOW的水样作为新的标准，称为VSMOW。由于水分蒸发和冷凝过程中同位素的分馏作用，使得自然界氢氧稳定同位素的分布具有如下效应：纬度效应、大陆效应、季节效应和高度效应，这也使得自然界中不同水体拥有不同的氢氧同位素特征。因此我们可以通过不同水团混合过程中端元水团氢氧同位素特征的变化来研究水团混合的详细过程，计算不同水团的混合比率等。 2 降雨与地表水的混合作用
氧同位素古温计 古海洋学 12.740 2004年春季讲义2 氧同位素古温计 I ．1940年代，Kullenberg 发明活塞取样法。 众所周知，获得深海岩芯使用的是重力取样法：一条软管，上端固定在船上，下端挂载一个“岩芯捕手”（柔韧的多分叉金属指状物），扔到洋底，取得样品。但是软管壁的摩擦系数限制了获取岩芯的能力，现代的重力取样装置能够得到大约5m 的岩芯，老一点的也就能拿到1~2m的岩芯。Kullenberg 向软管中引进了一个活塞装置，其作用在于当管道逐渐向沉积物中进入时，活塞制造的吸力能够帮助获取更多的样品。现代的活塞取样法最多能够一次采得约50m 长的岩芯（一般在 20m 左右）。 Ⅱ．1950年代，Emiliani A ．Emiliani 利用Urey 的质谱分析仪（该实验法一般要求5mg 碳酸盐样品，约等价于100~200个有孔虫个体），对采自加勒比海的大量多种属的浮游有孔虫进行分析。研究发现明显的深度分层：有些种属的有孔虫记录的同位素古水温接近于表层水温水平，而其余种属的古水温则相对较低。 B ．Emiliani 分析了大西洋岩芯中浮游有孔虫记录的古水温数据，并参照表层海水的同位素成分变化做出修正，计算出冰期时热带海域表层海水有6~8Co 的降温量（也就是约1. 5‰18；找到了过去50万年来数次冰期/间冰期旋回的证据；首创同位素期次地层体系的δO增量） （现在一般称为“MIS ”，Marine Isotope Stages）；讨论了这些数据支持米兰克维奇旋回影响气候变化的观点。 1．Emiliani 发展了一种同位素记数方法，将暖记作奇数，冷记作偶数，基于此就能可 靠地发觉所记录数据中微小的变化。
碳氮氢氧稳定同位素示踪技术在生态系统研究案例稳定同位素作为示踪剂广泛应用于生态循环和大气循环中的相关研究。研究人员通过测量空气、植物和土壤中的稳定性同位素组成，进而研究传统生态学无法解释的复杂生态学过程，例如：碳同位素用于分析生态系统CO2循环，区分碳通量研究中各组分的贡献率，确定不同物种对全球生产力的分配和贡献；氢氧同位素用于分析植物对土壤水分的利用效率，进而区分土壤水分的蒸腾与蒸散；氮同位素用于分析植物及生态系统的氮素循环，通过反硝化细菌转化成N2O，根据15N在N2O分子的不同位置，可以示踪N素循环的不同化学反应过程。在这些生态研究中，要求使用的设备同时具备高环境耐受性、高精度、高测量速度及宽量程等特点。 美国Los Gatos公司采用专利的OA-ICOS技术（第4代CRDS技术）设计的一系列稳定同位素分析仪，具有操作温度范围宽、量程宽、高速、高精度的优点。能够满足实验室野外多点长期同步监测、不同高度长期同步监测等研究的需要。其与其他传统测量方法相比，改进了对外界温度、压力变化比较敏感的缺陷，具备无法比拟的优势，适用范围也大大得到扩展。 一、测量原理 LGR：采用OA-ICOAS技术，符合Beer-Lambert定律，通过测量光损失来确定未知物质的浓度；通过改变入射激光的波长，一次扫描测量需要的全部光谱，每秒300次测量，做平均，从而保证了多点连续监测的同步性以及高精度性。 特点：1、测量速度非常快，每秒300次全光谱扫描取平均，测量速度及精度远超传统质谱仪； 2、一次扫描测量全光谱，实时显示光谱曲线，即使温度压力的变化引起峰漂移 也不会影响到峰面积的变化； 3、离轴的光腔设计，避免反射光与入射光直接的相互干扰，信噪比低； 4、通过峰面积来计算位置物质的浓度，所以测量范围很宽； 二、 试验方案 1、碳氧稳定同位素示踪设计方案 1.1土壤-植物根系呼吸的区分 利用土壤、植物根系呼吸产生的CO2中13C同位素信息，可以区分它们各自在总呼吸中所占的比例，同时对18O同位素进行监测，使得多混合源的同位素区分成为可能。
降水稳定同位素的几种效应 了解大气降水中稳定同位素与温度、降水量、纬度、高程、距离海洋的距离之间的关系。 Harman Craig提出了全球大气降水线（ＧＭＷＬ），表示为δD ＝8δ18Ｏ+10斜率反映出蒸汽和凝聚是大气降水同位素的主要影响因素，截距表示全球大气降水的平均值，截距大于10表示该降水云气形成过程中气、液两相同位素分馏不平衡程度偏大，小于10则意味着在降水过程中存在蒸发作用的影响。 1雨量效应：一般来说雨量越大，降水的δD和δ18O值越低，这种效应称为雨量效应，其解释为，较低温度将形成较大的降雨，同时在较低温度下的凝结过程中的分馏作用也使降雨中重同位素贫化。 稳定同位素的降水量效应主要发生在中低纬度沿海地区，在我国内陆区通常表现不显著，并且它的产生与大气强烈对流现象相关。内陆地区降水量和降水同位素的关系，虽然年际拟合关系不好，但是可能在夏季拟合的比较好。 2温度效应：大气降水的δD和δ18O值与地面年平均气温往往呈线性相关关系。温度升高δ值增大，温度降低δ减小。温度效应主要是由于蒸发过程中分馏作用随温度的升高而减弱造成的。在水的蒸发过程中，水分子获得外部能量后，优先破坏相对轻的同位素水分子之间的氢键，温度较高时蒸发获得的能量多，重同位素分子之间的氢键被破坏的数量增多，所以分馏作用减弱，海水蒸发所形成的水蒸气中的2H和18O的含量就高。且温度每升高1℃，大气降水的δ18O增加量小于于δD。 在高纬度地区温度是影响大气降水中稳定同位素变化的主要因素，在南北两极表现得尤其明显，且越深入大陆内部，其正相关性越强，这种现象在我国主要表现在季节温度变化比较大的地区，如我国西北地区的西安、乌鲁木齐、兰州等。 3纬度效应：大气降水的δD和δ18O值随着纬度的升高而减小的现象。不同地区降水的δ18O值随纬度变化率不同，但是变化趋势是一致的，随着维度的升高，大气降水的δ18O不断降低。纬度效应形成的原因有：1.随着纬度的升高，当地的年平均气温降低；2.大气圈中的水蒸气大部分形成于低纬度地区，当云团向高纬度地区移动时，由于不断发生瑞利分馏凝结作用，使云团与之平衡的雨水δD和δ18O值不断降低。
MIS LR04 Boundary Age(ka) 1/2 14 2/3 29 3/4 57 4/5 71 5.1(peak) 82 5.2(peak) 87 5.3(peak) 96 5.4(peak) 109 5.5(peak) 123 5/6 130 6/7 191 7/8 243 8/9 300 9/10 337 10/11 374 11/12 424 12/13 478 13/14 533 14/15 563 15/16 621 16/17 676 17/18 712 18/19 761 19/20 790 20/21 814 21/22 866 22/23 900 23/24 917 24/25 936 25/26 959 26/27 970 27/28 982 28/29 1014 29/30 1031 30/31 1062 31/32 1081 32/33 1104 33/34 1114 34/35 1141 35/36 1190 36/37 1215 37/38 1244
39/40 1286 40/41 1304 41/42 1320 42/43 1344 43/44 1362 44/45 1383 45/46 1405 46/47 1424 47/48 1452 48/49 1469 49/50 1492 50/51 1510 51/52 1530 52/53 1547.5 53/54 1570 54/55 1585 55/56 1608 56/57 1628.5 57/58 1642.5 58/59 1670 59/60 1697.5 60/61 1715 61/62 1743 62/63 1758 63/64 1782 64/65 1802.5 65/66 1816 66/67 1826 67/68 1832.5 68/69 1849 69/70 1859.5 70/71 1875 71/72 1898 72/73 1915 73/74 1941 74/75 1965 75/76 1990 76/77 2017 77/78 2043 78/79 2088 79/80 2103 80/81 2125 81/82 2146
氢及同位素 在《元素周期律表》中，排在第一位的元素就是——氕p i ē （氢）。氢的同位素有2个：氘dāo 、氚chuān 。 一、氕 氕（1H ）通常称为氢。原子核中只有1个质子（没有中子）。氕是宇宙中最多的元素，在地球上的含量仅次于氧。主要分布在：水、各种碳氢化合物中。 氕的原子序数为：1。 原子量为：1.007947。 在常温常压的标准状态下，为无色无臭的气体。 液态氕的沸点为：-252.8℃。 固态氕的熔点为：-259.2℃。 在气体中，它的导热系数最大。微溶于水和有机溶剂，易溶于金属钯中。高温下，能透过钢等材料。 氕的制法：主要是用天然水电解、甲烷裂解和水煤气法等。 二、氘 氘（2H ）为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢。原子核由1个质子和1个中子组成。在大自然中的含量，一般约为氢的1/7000，可以用于热核反应。 重氢的质量数为2。在常温常压下为无色、无嗅、无毒、可燃性气体。化学性质与氕完全相同。但是，由于质量大，反应速度小一些。 三、氚 氚（3H ）是氢的一种放射性同位素，也被称为超重氢。原子核由1个质子和2个中子组成。自然界中存在极微少。主要用于热核反应。 超重氢的质量数为3。具有放射性。但是，由于氚的β衰变，只会放出高速移动的电子，不会穿透人体。因此，人体只有大量地吸入氚，才会有害。 四、氘氚聚合 氘、氚2个轻原子核，在高温高压下，发生聚变反应，瞬时释放出巨大能量，也称为核聚变。 用高爆炸弹引爆原子弹，再用原子弹来引爆氢弹。也就是说：“高爆炸弹是原子弹的雷管。原子弹则是氢弹的雷管。” 原子弹通常为几百~几万吨级TNT 当量。氢弹则可大至几千万吨级TNT 当量。 苏联引爆的5500万吨级氢弹，是世界上威力最大的。
古海洋学 12.740 2004年 春季 讲义1 同位素古气候学 氧气学一．同位素古候 摘自Broecker 和Oversby ，Chemical Equilibria in the Earth ，P.151 如上示意图表示的是能量零点（zero-point energy ）和分子质量之间的关系，分别以H HD 为例。 1． 尤里（Urey ）同位素热力学性质：动力学统计平衡和红外光谱分析 由于同位素原子所处的能量水平不同，一般在不同温度下可以对同位素进行平衡分馏。 被一根弹簧连接的两物体发生振动，振动频率决定于两物体的质量（以及弹簧的劲度系数）。同样的，物体旋转运动和平移运动的运动学特征也与物体质量相关。这一原理也是对同位素进行分馏的理论依据。 基态能量图解： 三种分子的基本振动频率是：H 2：4405cm -1，HD ：3817 cm -1，D ：3119 cm -1。 2能量零点的大小顺序是：H 〉HD 〉D 。 22
同位素原子之间基态能量的差异导致了动力学分异，质量小的原子的活化能也较小；能量水平的差异导致同位素原子在平衡分馏时的行为不同。一个简单（但可能是粗糙的）的道理：较重的原子会“选择”更为稳定的状态。举例来说，平静状态下水蒸气约比水轻0.9%。 转动-振动-平动：物体的三种运动方式。 方解石地温计公式： 公式（1）中，K（T）表示在温度为T时的平衡常数，ΔG O表示吉布斯自由能变化值（初态减末态），R是热力学常数，T是反应温度。 从理论上来说，平衡常数K可以由原子能级的热力学统计得到： 热力学统计： 首先假定所有这些具有系统全部的能量的各种不同状态，是等可能性的。 举例来说，如下图示，我们有5个粒子，以及5单位的能量。一种可能的状态是所有5个粒子分别具有1单位的能量；另一种状态是其中一个粒子（但是是哪一个粒子呢？）具有5单位的能量，而其他4个粒子都没有能量；这两种状态是等可能性的。 有了等概率假定为基础，我们开始计算方解石地温计公式。 f i是第i种能量状态的概率； 而对于粒子的每一种运动形式，转动我们用rot表示（rotation），振动用vib表示（vibration），平动用trans表示（translation），它们分别的配分函数是： 总体的能量用tot表示（total），则粒子总共的配分函数是：