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地球的年龄若何测定？

阳澄湖大闸蟹若何判定实伪？

那固然是两个毫不相关的问题，但他们却能够利用配合的东西：同位素。

那么，什么是同位素？同位素又若何测定地球的年龄，若何判定大闸蟹产地呢？就让小编来告诉你吧~

我们晓得，物量是由原子构成，而原子又是由核外电子和原子核构成，原子核由量子和中子构成。

具有必然量子数和必然中子数的原子即被称为一种核素，而具有必然量子数的原子被称为一种元素。

即统一种元素的原子均具有不异的量子数，而统一种核素则具有不异的量子数和不异的中子数。

而所谓同位素，就是具有不异量子数与差别中子数的核素。它们具有不异的量子数，所以在元素周期表中，它们占据不异的位置，故称为同位素。

我们凡是在元素符号左上角加上相对原子量来暗示差别的同位素，如：氧-18。差别的元素能够有一个或多个同位素，如钙，在天然界中有六个不变的同位素：钙-40、钙-42、钙-43、钙-44、钙-46、钙-48。

因为中性原子的化学性量次要是由核外电子决定，而核外电子数等于原子核内的量子数，所以统一元素的差别同位素具有非常类似的化学性量。

然而，因为原子核量量的差别，在一些物理化学过程中，又常常表示出细微的差别。因为那种差别而招致的物理、化学过程前后的同位素构成产生差别的现象称为同位素分馏。

那种既类似又具有细小差别的特征恰是同位素的魅力所在。

按照同位素放射性量的差别，我们将同位素系统分为放射性同位素和不变同位素。

放射性同位素系统由放射性同位素和放射性衰变产生的放射性成因同位素构成。

而不变同位素则是指既不具有放射性又不是由其他具有放射性的同位素衰变生成的同位素。

当然，那一划分其实不绝对，关于所研究的时间标准来说，放射性半衰期很长或衰变母体的半衰期很短的同位素也被认为是不变同位素。

【常识链接：放射性衰变与半衰期】

有些核素的原子核其实不不变，会自觉地改变为其他核素，并发出射线，那一过程被称为放射性衰变，能够发作衰变的核素称其具有放射性。衰变前的核素称为母体，衰变生成的核素称为子体。关于特定的衰变反响，肆意数量的母体衰变至其含量仅剩一半时所需的时间是恒定的，那一时间称为半衰期。

关于放射性同位素系统，在地球化学中的应用次要是定年。而关于不变同位素，应用则次要为测温、示源、示踪。

（一）放射性同位素的应用：定年

所谓定年，就是操纵放射性同位素衰变的性量，测定系统不与外界发作同位故旧换后的年龄。

就像能够通过判断发量预算博士生的年级一样。若是假定读博之前的发量为固定值，跟着读博时间的增加，发量以一个固定的速度减小，就能够通过目前的发量与初始发量的比值来揣测读博的时间。（X）

关于同位素定年也是类似的，系统不与外界发作同位故旧换时能够看做“入学“，而同位素母体跟着时间逐步衰变削减，就像头发一样。那么我们只要测定样品中剩余母体的含量（当前发量），并通过一些体例估量出初始母体的含量（初始发量），因为同位素衰变的半衰期（发量削减速度）是已知的，那么我们就能够得到所测样品不与外界发作交换几年了，从而得到了样品的”年龄”。

好比我们熟悉的碳-14定年，就是测定系统不与外界发作碳同位素的交换后的年龄。

因为宇宙射线的感化，在大气中会发作核反响生成碳-14，凡是认为那一速度大致稳定；同时碳-14发作衰变，那么大气中的碳-14就会在生成和衰变中到达必然的稳态，最末大气中碳-14含量根本稳定。木材砍伐并造成棺木后，此中的碳将不再与大气发作交换，尔后碳-14发作衰变，以必然的速度削减。我们通过丈量棺木中的碳-14含量，将其与大气中的碳-14含量比照，又已知衰变速度，就能够晓得棺木是什么年代的产品了。

关于其他的放射性同位素定年体例，原理也比力类似，只不外要按照差别的时间标准选择差别的同位素系统。

若是选用的半衰期过短，那么样品中的母体含量就会很少，于是以至丈量不出来；若是选用的半衰期过长，那么母体含量几乎没有变革，也不克不及定出年龄。

例如地球的年龄就要通过U-Pb系统来确定。

关于同位素定年，此中比力关键的一点是关于初始含量估量。因为大大都情况下我们其实不晓得放射性母体的初始含量，所以我们需要通过良多其他的体例来假定母体的含量或通过公式的转换，将初始母体的含量酿成其他能够确定的量。此中比力常用的有形式年龄法、等时线法等。

等时线法

（二）不变同位素的应用：测温、示源、示踪

关于不变同位素的应用，则次要是操纵了统一元素的同位素的性量既具有类似性又具有差别性的特点。就像W.M.White在其所编教材Geochemistry中所言，Thus is it that one group of isotope geochemists make their living by measuring isotope fractionations while the other group makes their living by ignoring them!（一群同位素地球化学家靠着丈量同位素的分馏而保存，而另一群则靠的是忽略同位素的分馏）

我们先从测温说起。在某一地量过程中，若是两相之间同位故旧换到达平衡（例如海水中迟缓沉淀碳酸钙），而平衡分馏系数是温度的函数，所以只需要测定两相之间的同位素比值差别就能够求得平衡时的温度。

【常识链接：平衡分馏系数】

两相间的同位素比值之商称为同位素分馏系数，而两相之间的到达同位故旧换平衡时，关于统一温度，那一分馏系数是一个常数，称为平衡分馏系数。

例如，在古天气研究中，凡是会呈现海洋堆积物的氧-18同位素对时间的图，那种图其实就是海水温度对时间的图。因为一般而言，我们常常假设认为海水的氧同位素比值氧-18/氧-16为定值，且堆积物与堆积时的海水到达了氧同位素平衡。所以堆积物中的氧同位素比值的变革就能够暗示温度的变革。

该图是Paleocene以来海洋堆积物中O同位素随时间变革和C同位素随时间变革的图，意在讨论全球天气变革与其时全球C轮回、C同位素变革之间的关系。

要想准确定出温度，会期望该同位素系统容易发作很大的分馏，如许会便利对分馏的丈量，定出的温度也会更准。所以，同位素测温就是操纵了同位素化学性量有藐小差别的特点，而示源，则更多天时用了化学性量类似的特点。

所谓示源，就是通过某一特征目标来指示样品的来源。我们期望那一目标在差别的源区具有很大差别的同时，在迁徙过程中更好还能连结稳定。例如，我们能够通过一位同窗的口音来判断他的家乡在哪里。若是他的发音儿化音较重，则可能来自北方，若是平、翘舌不分，则大都来自南方，那就是示源。我们拔取的目标是口音，因为一方面差别地区口音差别，另一方面“乡音未改鬓毛衰”。

而同位素示源的原理也与之类似。例如，差别处所的水土中Sr同位素构成都略有差别，同时Sr同位素在风化、生物过程中一般不发作显著的分馏，如许Sr同位素就能够用来示踪源区。

一项正在停止的研究表白，差别水体中的Sr同位素构成具有必然差别，而水体中生长的螃蟹的壳中的Sr同位素构成与水体中的比力接近，且统一螃蟹差别部位的Sr同位素构成也比力一致。所以Sr同位素具有指示大闸蟹产地的潜力。而中国科大金属不变同位素地球化学尝试室（www.metalisotopes.cn）也正测验考试开发一种操纵Sr同位素判定大闸蟹产地的办法。

而所谓示踪，就是操纵差别过程中同位素分馏的特征差别的性量，来揣测样品所履历的过程。因为差别过程所招致的同位素分馏特征具有差别，通过丈量那些差别，就能够反过来造约构成、迁徙过程中所履历的地量过程。例如，能够通过研究水稻土中的Fe同位素，来揣测水稻土中Fe元素的迁徙规律，为农业活动供给一些指点。

水稻土剖面

当然，上述仅是一个非常粗浅且不完好的归纳综合和分类，同位素手段在地球化学范畴中的应用非常普遍，更为系统和全面的介绍还要阅读相关册本。

（三）同位素地球化学的研究标的目的

既然同位素具有那么多奇异的应用，那么要如何停止同位素地球化学的研究呢？

关于那个问题，每小我都有本身的理解。那里仅按照金属不变同位素范畴（既Cu、V、Zn、Ba、Si、Cd等金属元素的不变同位素系统）为例，对那个问题停止一些简单的申明。

要想研究金属不变同位素，起首需要成立高精度的阐发办法，能将天然界中的各类样品的同位素构成给测准。

一方面，金属不变同位素系统的相对量量差别较小，天然界中的分馏相对也较小，以至小于化学提纯过程中形成的分馏。

另一方面，良多金属元素在天然界含量很少，以至是ppm级，化学流程中容易被污染。所以金属不变同位素的阐发其实不容易，在全世界仅有少数几家尝试室能完成样品的丈量。

因而，阐发办法的开发也不断是同位素地球化学范畴的一个重要研究标的目的。

其次，要厘清天然界各类过程中的分馏机理，如吸附、扩散、结晶、沉淀、熔融等。那需要弄清晰差别的同位素系统能否发作分馏、发作几分馏、为什么会分馏。

同等重要还有同位素应用标的目的的挖掘。要按照差别同位素系统的各自特点，连系现实的地球科学问题，将同位素的东西应用到地球化学中的各个范畴。

来源：石头科普工做室