稳定同位素

稳定同位素是指原子核不会自发地发生放射性衰变的同位素。 它们存在于自然界中，其丰度是相对恒定的。

目前已知的化学元素中，有大约254 种核素被认为是稳定的。这个数字在不同的资料中可能略有出入（例如254、256或264），主要是因为对一些极长半衰期（远超过宇宙年龄）的同位素是否归类为“稳定”存在争议。

按元素分类概述

在118种已知元素中：

• 80种元素拥有至少一种稳定同位素。

• 26种元素只有一种稳定同位素，这些元素被称为“单一核素元素”，例如金、铝、钠、磷、锰等。

• 38种元素没有稳定同位素，它们的所有同位素都具有放射性，例如铀、钚、氡以及所有原子序数大于83（铋之后）的元素。

常见元素的稳定同位素列表

以下列出一些常见且重要的元素及其稳定同位素（括号内为自然界的近似丰度）：

1. 氢

   • 氕 - ¹H (99.98%)

   • 氘 - ²H (0.02%) - 氘是重要的稳定同位素，常用于核反应和光谱分析。

2. 碳

   • 碳-12 - ¹²C (98.93%)

   • 碳-13 - ¹³C (1.07%) - 碳-13是核磁共振光谱的重要工具。

3. 氮

   • 氮-14 - ¹⁴N (99.63%)

   • 氮-15 - ¹⁵N (0.37%) - 氮-15是重要的示踪剂，用于研究氮循环。

4. 氧

   • 氧-16 - ¹⁶O (99.76%)

   • 氧-17 - ¹⁷O (0.04%)

   • 氧-18 - ¹⁸O (0.20%) - 氧-18和氧-16的比例是古气候学研究中的重要温度指标。

5. 硫

   • 拥有4种稳定同位素：³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S。它们在环境地球化学中是重要的示踪剂。

稳定同位素的重要性与应用

稳定同位素之所以重要，并非因为它们“稳定”，而是因为它们在自然界中的比例（同位素丰度）会因物理、化学和生物过程而发生微小但可测量的变化。这种现象称为同位素分馏。

主要应用领域包括：

1. 地球科学与环境科学

   • 古气候学：通过分析冰芯、海洋沉积物中氧同位素（¹⁸O/¹⁶O）的比例，可以重建过去数百万年的地球温度变化。

   • 水文学：利用氢和氧的稳定同位素来追踪水循环，确定地下水的来源和年龄。

   • 污染溯源：通过分析污染物中硫、氮、碳等的稳定同位素，可以追踪其来源。

2. 考古学与生态学

   • 食谱分析：通过分析人骨或动物骨骼中的碳、氮稳定同位素，可以推断古代人类或动物的主食来源（如C3植物 vs C4植物，海洋 vs 陆地食物）。

   • 食物链研究：氮稳定同位素（¹⁵N）在食物链中会产生富集，因此可以作为生物所处的营养级指标。

3. 化学与医学

   • 核磁共振：碳-13（¹³C）是核磁共振波谱学的关键同位素，用于确定有机分子的结构。

   • 同位素标记：用稳定的重同位素（如²H, ¹³C, ¹⁵N）标记药物或代谢物，可以在体内追踪其路径和转化，而无需担心放射性危害。这种技术被称为稳定同位素示踪技术。

4. 法医学

   • 通过分析物证（如毒品、爆炸物、纸张）中的稳定同位素“指纹”，可以推断其地理来源或生产工艺。

总结