第3节

同位素性质的差异

在原子的简单模型中，最外层电子决定了分子和固体中原子的化学性质与结合方式。电子的数量与原子中心大质量原子核所含质子的正电荷相等。原子核的结构存在一个冲突，由于它有许多正电荷，这些正电荷相互排斥，本应导致原子核分裂。但它之所以能够保持稳定，是因为还有一些与质量有关的吸引力，以及其他更微妙的核结合力。为了使原子核存活下来，需要增加中子的质量。这样可以增加结合力并削弱电荷排斥。中子的质量与带正电的质子质量大致相同。

如果原子核中的正质子和中性中子的数量大致相等，那么原子核可以保持稳定。元素越重，需要的中子就越多。由于中子的主要作用是保持稳定，因此对于特定元素的原子数量，可能会出现几种情况。正如第4章中关于放射性碳测年的讨论，碳原子有6个质子，通常有6个中子。这种说法并不算错，因为98.89%的碳原子有6个中子和6个质子。这样的碳写作12C。但是，大约1.11%的碳原子有一个略微不稳定的第七个中子（写作13C）（此外还有一个14C同位素）。元素的化学性质与核质量无关，因此我们暂时还不清楚会出现哪些同位素差异，以及如何将同位素应用于技术或分析。在纯物理运动中，如二氧化碳分子的运动或分子通过细胞膜扩散，分子的质量非常重要。移动性取决于可用的热能（即热量）。简单的动能取决于质量乘以速度的平方（E=½mv2）。在能量相同的情况下，质量较轻的物体比质量较重的物体的移动速度更快。在气体中，每个分子的平均能量相同，这是由温度决定的。在空气中，大多数氮气（N2）的相对质量为28（即一对14N原子的质量）。有一种更罕见的氮同位素，相对原子质量为15，因此有一些氮气的相对分子质量为29（质量为30的可能性更小）。较重的氮气分子的速度会降低1.7%。

在大气中，较轻的分子可能会向高处移动，重分子和轻分子的分离程度取决于温度。同样，水蒸气从海洋向内陆扩散，较重的氢同位素（氘，相对原子质量为2）的移动速度明显比普通的水的移动速度更慢（相同能量下，氘水的平均速度较小）。普通水分子由两个较轻的氢原子（相对原子质量均为1）和一个氧原子（相对原子质量为16）构成H2O，相对分子质量为18。将其中一个氢原子换成氘后，相对分子质量变为19，速度降低2.6%。这会导致两种水蒸气与源头的距离不同，因为质量较轻的普通水蒸气可以扩散得更快、更远。这一比率反映了植物之间的差异，以及它们与海洋的距离。对这一比率的分析也可用于法医鉴定，以及对骨骼进行考古研究。

光化学

在涉及气体或液体扩散的化学反应中，同位素比率的变化会产生相似的影响。植物的光合作用对我们的食物至关重要，光合作用的途径主要有两种，分别是三碳途径（C3）和四碳途径（C4）。三碳途径第一阶段的产物是一种三碳化合物。欧洲和北美洲的植物生长主要通过三碳途径，而在更炎热和干燥的环境中，四碳途径占主导地位。表13.1列出了两种光合途径的正式定义。三碳途径和四碳途径在总质量上有明显的差异，因此对普通碳元素与较重的碳同位素的比例有明显影响。同一最终产物的碳同位素比例揭示了它在形成过程中的化学路径。

表13.1 光合作用的三碳途径和四碳途径

同位素效应来自饮食和地区间食物链的差异。在北美洲，通过四碳途径进行光合作用的主要作物有玉米、高粱、粟和甘蔗。它们是大部分动物的基础食物。相比之下，欧洲主要作物的光合作用以三碳途径为主。不同地区的居民体内的同位素比例也有差异。饮食显然会影响自然的生物过程，因此我们分泌的睾酮或其他物质中的碳同位素比例与食物来源有关，并且因植物光合作用的主导途径不同而呈现差异。运动员运动量较大，身体健康且饮食合理，他们的食物以碳四植物为基础。

食品添加剂和许多合成药物名义上可能生成“天然”化合物，但加工过程通常基于大豆等碳四植物。因此，通过仔细检查身体以及血液或尿液中的碳和其他元素的同位素含量，可以证明运动员是否在人工药物的帮助下取得运动成绩。运动员药物检验利用了这种同位素比例差异。这些分析可能会导致许多运动员被禁赛并归还奖牌。尽管我们可以分辨出这种通过药物提高成绩的隐蔽行为，但许多药物在一定限度内被认为是“合法的”。对于那些实际上只是通过药物而不是训练和天赋取胜的超级运动员，我感到失望。

碳同位素比例还有更加广泛的应用，如帮助人们直接区分塑料（和其他含碳化学物质）来自古代石油储备、现代农业还是其他作物生产方法。

同位素效应的分析与法医学应用

对于来源不同的材料，一切能够揭示其差异的性质都有可用之处，不仅可以用于传统的分析目的，还可以用于法医学。基本原理是，同位素含量的差异有助于推测谋杀的案发地或灾难受害者可能来自哪里。精确测量同位素比例的设备和技术一直在稳步发展，很显然，在21世纪，这些设备和技术将得到更广泛的应用。法医学方面的应用尤其令人瞩目，因为其可能性尚未得到充分展示。这种分析方法对材料会造成一定的破坏，但如果通过分析股骨或牙齿来追踪尸体的过去，这种破坏性可以忽略不计。这种方法对活着的患者来说难以接受，但头发或指甲也可以提供数月前的记录，血液或其他样本还可以更加直观地揭示其饮食或用药历史。

如果尸检（验尸）遭遇困难，问题很可能出在尸源的确定上。对骨骼等部位的同位素比例测定可以在这方面提供一些有价值的线索，有些骨骼内的原子会在一段时间内（比如10到20年）替换。因此，通过横截面分析同位素比例，进而得到有用的信息，这与树轮年代学的年轮测年非常相近。每年的温度变化率各不相同。尸体来源地区及其气候对同位素效应产生进一步的影响。在饮食方面也能提供一些信号。例如，如果一个人先后在俄罗斯、中美洲国家和英国生活过，这些信息也会经过编码留在他的骨骼同位素模式中。这种方法十分复杂，但很显然，它可以帮助我们判断一个人是新移民，还是长期生活在一个地方。

同位素比例的变化模式意义深远，已经讨论或目前正在使用的例子包括测试不同食物的来源，检查牛饲料的类型，检查特殊用品的真实性，检验是否存在故意用低价值产品污染或稀释高价值产品的可能性。这类材料包括橄榄油、香草、蜂蜜和蜂王浆，以及葡萄酒、龙舌兰酒、毒品和爆炸物。此类分析技术非常复杂且成本高昂，但我们非常需要这样的分析结果，因此这些常规且可靠的数据已经成为一种合算的选择。

第二次世界大战中的原子弹制造

从世界历史的角度来看，缺陷的好处可能并不明显，但事实上也有几个相关的案例。其中之一是德国科学家尝试制造原子弹。他们当然具备智慧和决心。然而，在建造核反应堆的过程中，他们却遭遇了失败。科学家的设计是合理的，利用石墨作为慢化剂，控制具有合适能量的中子的产生，从而产生炸弹级的铀。其中的诀窍是减慢铀核裂变放出的中子的速度，但不吸收中子并将其从该过程中去除。然而，德国科学家所用的石墨相当不纯，其中含有硼。从含量百分比来看，硼只是一种微量成分，但在核反应堆内，硼会酿成灾难。就吸收慢中子的效率来说，硼是石墨中的碳的10万倍左右。因此它会导致中子通量大大降低，且核反应堆仍保持在亚临界。这种简单的杂质破坏了德国研制原子弹的努力。

化学中的缺陷与微量元素小结

本章开篇列举的几个例子非常相似，它们足以证明，许多化学和生物化学都由某种催化作用引起的反应所驱动。催化过程是所有动植物生存的必要机制，但对科学界之外的一般读者来说，其中的原理和方法可能不易理解。自然和技术中的催化作用对我们的生存和生活方式至关重要。其他与缺陷和杂质有关的化学例子则凸显了我们对化学技术的普遍依赖。

引入同位素分析不仅是为了强调它的应用领域，更是为了强调它还可以应用于哪些领域，以及它未来可能实现的目标。这些概念对于生物学和医学的发展至关重要。

同位素效应存在于所有技术中，不仅是这些化学技术，还有很多我们所熟悉的材料，只是我们没有注意到。尽管如此，同位素的变化对热导率这样的简单指标也会产生影响，因为同位素的变化会影响热量在材料中的传递。它们也是光子计算发展中需要考虑的因素，因为同位素差异可能会阻碍该技术发挥作用。