同位素测量原理及概要
同位素检测仪工作原理
同位素检测仪工作原理嘿，你有没有想过，在我们肉眼看不到的微观世界里，有一种超级厉害的仪器能把同位素这个神秘的家伙给揪出来呢？这就是同位素检测仪啦。
我先给你讲讲啥是同位素。
你看啊，就像一个大家庭里有很多兄弟姐妹，虽然他们都姓一个姓（属于同一种元素），可是呢，他们的体重（质量数）有点不一样，这些兄弟姐妹就是同位素。
比如说氢元素，普通的氢啊，就像一个小瘦子，还有重氢和超重氢，就像长胖了一点的兄弟。
这些同位素虽然长得有点像，但是在很多事情里表现可不一样呢。
那同位素检测仪到底是怎么把这些同位素分辨出来的呢？这里面的门道可多啦。
先来说说质谱分析法的同位素检测仪吧。
想象一下，同位素们就像一群赛跑选手站在起跑线上。
这个起跑线就是离子源。
在离子源这儿，这些同位素被变成了带电的离子，就像是给选手们穿上了带电的跑鞋，然后“砰”的一声，它们就开始跑啦。
这一跑就跑到了一个磁场区域，哎呀，这个磁场可就像一个超级挑剔的裁判。
那些质量小的同位素离子啊，跑起来就轻快些，它们转弯就比较灵活，就像小个头的选手在弯道上比较敏捷；而质量大的同位素离子呢，跑起来就有点笨重，转弯就没那么灵活啦。
最后啊，它们会分别到达不同的地方，就像不同能力的选手到达不同的终点一样。
这样，根据它们到达的位置，我们就能知道是哪种同位素啦。
这时候你可能会问，那要是有很多同位素混在一起，不会乱套吗？其实不会的啦，因为每种同位素都有自己独特的“奔跑轨迹”，就像每个人都有自己独特的指纹一样。
再说说基于放射性衰变检测的同位素检测仪。
有些同位素啊，就像一个个小定时炸弹，它们会不断地发生衰变，变成其他的元素。
这个过程呢，会放出一些射线，就像炸弹爆炸会放出火光一样。
同位素检测仪就像是一个特别灵敏的眼睛，专门盯着这些射线。
比如说，碳 - 14这种同位素，它会慢慢地衰变。
如果我们想知道一个古老的东西的年龄，就可以用这个原理。
假如这个东西里面有碳 - 14，它从诞生的时候就开始衰变啦。
同位素测量原理及概要
Triton 质谱计就是表面热电离离子源系统。
测定Rb、Sr、Sm、Nd、 Re、Os、Pb、B等同位素 组成往往采用这类离子源 质谱计。
样品（矿物、岩石等）要 经过化学分离提纯出相应 的元素，置于灯丝上，然 后放入仪器进行同位素组 成测定。
化学分离提纯
岩石或矿物样品一般采用酸溶解。用离子交换色 谱分离法将Rb、Sr、Sm、Nd、分离出来。离子交 换色谱分离是通过离子交换树脂(Resin)进行的。
MAT253，Delta Plus
测定H、O、C、S等同位素组成采用这类离 子源质谱计。
样品（矿物、岩石、水、有机质等）要经过 一定的化学处理，制取成H2、CO2、SO2等 气体，然后引入仪器进行同位素组成测定。
化学提取氧并 且转化为CO2
(B) 表面热电离离子源
★热电离
是分析固体样品同位素 组成的常用离子源之一。 将分析样品涂敷于金属 丝(带)的表面上，在真 空中通以电流使金属丝 炽热，样品因受热而蒸 发，大部分是中性粒子， 一部分以正或负离子形 式脱出表面。
激 光
★离子流的引出：
由样品离子化出来的离子，其初始速度一般 都不大，要利用这些离子进行质谱分析，必 须将它们从离子源中引出，并使之具有一定 的速度。
为此，在离子源的电离室和出口缝之间加上 一定的电压，造成电位梯度，使离子朝着质 量分析器的方向加速，离子获得能量：
eV 1 mv 2 2
此电位差称为加速电压，在分析正离子时， 样品和电离室处于高电位。出口缝处于低电 位。在分析负离子时，则相反。
②如果B和V为定值，单位电荷离子运动轨迹的半径与 质量的平方根成正比。即重离子比轻离子偏离直线的 程度小。
因此在横向磁场中，离子受洛伦兹力作用作匀 速圆周运动，轨道半径为：
同位素地质年代测定原理[权威资料]
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同位素地质年代测定原理本文档格式为WORD,感谢你的阅读。
摘要：本文阐述了同位素测年的原理、前提、方法，重点介绍了Rb―Sr法的原理、使用要求、适用范围、原理、结果解释及优缺点。
关键字：同位素测定原理Rb―Sr法1. 测年原理和前提同位素地质年龄，简称同位素年龄（绝对年龄），指利用放射性同位素衰变定律，测定矿物或岩石在某次地质事件中，从岩浆熔体、流体中结晶或重结晶后，至今时间。
放射性同位素进入其中后，含量随时间作指数衰减，放射成因子体积累。
若化学封闭，无母体、子体与外界交换而带进带出，测定现在岩石或矿物中母子体含量，根据衰变定律得到矿物、岩石同位素地质年龄。
这种年龄测定称做同位素计时或放射性计时。
计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄，谓之同位素年龄。
应用同位素方法测定地质年龄，必须满足以下前提:(1)放射性同位素的衰变常数须精确地测定，并且衰变的最终产物是稳定的。
(2)样品及其测得的N和D值能代表想要得到年龄的那个体系。
(3)已知母体元素的同位素种类和相应的同位素丰度。
并且无论是在不同时代的地球物质中，还是在人工合成物甚至天体样品中，这些元素的同位素都具有固定的丰度值。
(4)体系形成时不存在稳定子体，即D0= 0(对于衰变系列，也不存在任何初始的中间子体)，或者通过一定的方法能对样品中混人的非放射成因稳定子体的初始含量D0作出准确地扣除或校正。
(5)岩石或矿物形成以来，母体和子体既没有自体系中丢失也没有从休系外获得。
也就是说，岩石或矿物对于母体和子体是封闭体系。
其中(1)和(3)两个前提是基本的，(4)和(5)两个条件则决定了岩石或矿物地质历史的一个模式。
2. 同位素测年主要方法在同位素年代学上，除了利用天然放射性的衰变定律直接进行年龄侧定外，还可以根据衰变射线和裂变碎片对周围物质作用所产生的次生现象来计时。
因此，总体上可将同位素年龄测定方法分为两大类:第一类为直接法，它们是基于放射性同位素自发地进行衰变，按照衰变定律来测定年龄。
地球化学研究中的同位素测年技术
地球化学研究中的同位素测年技术地球化学研究中的同位素测年技术被广泛应用于地质学、地球科学、考古学等领域，为我们揭示了地球历史的面纱。
同位素测年技术是通过分析地质物质中不同同位素的比例来确定物质的年龄，其原理基于同位素在自然界中的稳定性和放射性衰变的特性。
本文将介绍同位素测年技术的原理、应用领域及其在地球化学研究中的重要性。
一、同位素测年技术的原理同位素是同一个元素中具有相同原子序数但质量数不同的核素。
同位素的稳定性是同位素测年技术有效应用的基础，而放射性同位素的衰变性质则被用于测定物质的年龄。
同位素测年技术的核心原理是根据衰变速率和父母同位素与子女同位素之间的比例关系来计算样品的年龄。
放射性同位素的衰变速率是稳定的，衰变过程中父母同位素的逐渐减少，而子女同位素的比例逐渐增加。
通过测量样品中父母同位素和子女同位素的含量，可以计算出样品的年龄。
二、同位素测年技术的应用领域同位素测年技术广泛应用于地质学、地球科学和考古学等领域，为研究地球历史和人类活动提供了重要的依据。
在地质学中，同位素测年技术可以用于确定岩石和矿石的形成时间，揭示地球地质演化的过程。
例如，铀系同位素测年方法可以用于测定岩石的年龄，帮助我们了解地球各个时期的构造变化和地球表面的历史。
在地球科学中，同位素测年技术被用于研究地球大气和海洋的循环过程，揭示气候变化的规律。
通过分析大气和海洋中的同位素比例，可以推断过去的气候环境，为预测未来的气候变化提供参考依据。
在考古学中，同位素测年技术被用于确定考古遗址中文物和生物化石的年代，揭示人类活动的发展历程。
通过测定遗址中的有机物的同位素比例，可以推断人类定居和活动的时间，帮助我们了解古代文明的兴衰和民族迁徙的历史。
三、同位素测年技术在地球化学研究中的重要性同位素测年技术在地球化学研究中具有重要的地位和作用。
首先，同位素测年技术是地球化学研究的重要方法之一，通过分析样品中同位素的比例，可以确定样品的年龄和形成过程，从而揭示地球的演化历史。
化学元素的同位素分析
化学元素的同位素分析同位素是指具有相同原子序数（即原子核内的质子数）但质量数不同的同一种化学元素核，它们拥有相同的化学性质，但在物理性质上存在微小的差别。
同位素分析是一种常用的科学方法，通过研究同一种元素的不同同位素的存在和比例，可以提供有关元素的起源、地球化学过程、古环境变化以及生物地球化学循环等诸多信息。
本文将介绍同位素分析的原理、方法以及其在化学研究中的应用。
一、同位素分析原理同位素分析的原理基于同位素的质量差异对物质进行分离和测量。
在同一种元素的同位素中，由于其质量数的差异，同位素的原子在磁场或电场中会产生不同的偏转力，从而形成质量分离，这为同位素分析提供了基础。
常见的同位素分析方法包括质谱法、放射性同位素法、同位素稀释法等。
二、同位素分析方法1. 质谱法质谱法是一种基于质量分离的同位素分析方法。
其核心设备是质谱仪，它能够对样品中的同位素进行分离和测量。
质谱仪通过对样品进行电离、加速和分离，将同位素离子按照质量-电荷比进行分离，通过检测不同质量的离子信号来确定同位素的含量。
质谱法具有高精确度和高灵敏度的特点，广泛应用于地质学、生物学、环境科学等领域的同位素研究。
2. 放射性同位素法放射性同位素法是利用放射性同位素在衰变过程中的特性进行同位素分析的方法。
放射性同位素具有固有的放射性衰变特征，其衰变速率可通过测量放射性同位素的衰变产物来确定。
通过测量放射性同位素与衰变产物的比例，可以推算出样品中放射性同位素的含量。
此方法常用于地质学、考古学等领域的年代测定。
3. 同位素稀释法同位素稀释法是一种利用稀释原理进行同位素含量测定的方法。
该方法通过将已知量的同位素稀释进待测样品中，利用比例关系计算待测样品中同位素的含量。
同位素稀释法广泛应用于环境科学、地质学、化学分析等领域的同位素测量。
三、同位素分析的应用同位素分析在许多领域中都有重要的应用价值。
以下是其在一些研究领域的应用示例：1. 地质学同位素分析在地质学中被广泛用于确定岩石和矿石的成因、地球内部物质循环等研究。
第二讲 同位素测年的基本原理
t= 1/λ × ln(1+b)
(4·3)
等时线在Y轴上的截距b代表该组样品的 初始同位素比值(简称初始值).因此，只要测 定一组能满足上述条件的样品同位素比值， 即可在坐标图上绘制等时线，并计算它的等 时线年龄和初始值.
根据等时线法可同时获得两个参数：一是 等时线年龄t，另一是初始(锶、钕、铅、铪、 锇和铈等)同位素比值.后者代表岩石或矿物形 成时的同位素组成.它是一个重要的地球化学 参数，能为研究陨石、月球与地球的形成与 演化以及岩石与矿石的物质来源与成因等提 供十分重要的信息.
由于测定样品中同位素比值较之测定87Rb 和87Sr的原子数容易，故将式(4 ·1)两边除以 86Sr原子数(它在样品中是恒定的)，上述方程 可改写成通常使用的等时线方程：
(87Sr／86Sr)p= (87Sr／86Sr)i+ (87Rb／86Sr)p(eλRbt-1) (4·2)
对于Sm-Nd，Lu-Hf,Re-Os和U、Th-Pb体系， 可写出类似的表达式.
3. 放射性母体同位素的半衰期或衰变常数必 须能准确测定，而且半衰期不宜过长或过短， 否则不利于母体或子体同位素含量的精确测定. 4. 必须准确知道母体和子体元素的同位素组 成及其相对丰度，并能精确而又灵敏的测定 母、子体元素的含量. 根据式(3·54)计算的岩石或矿物的同位素年 龄通常称模式年龄或表面年龄，如果上述条件 都能得到满足，这一模式年龄就代表真实年龄， 并可根据不同的地质对象，对年龄值的意义作 出解释.
满足上述条件的一组样品，在以Y (87Sr/86Sr,m/144Nd… ) 为横坐标的图上将构成一条直线， 该直线叫做等时线.直线上的各个点代表一组具 有相同年龄t和相同初始同位素组成的同源样品 体系.其斜率b= eλt-1.由图解法或最小二乘法求出 斜率后按下式计算等时线年龄：
化学反应中的同位素测年
化学反应中的同位素测年同位素测年是指利用同位素所具有的稳定性和放射性特性，通过测量化石、岩石或其他地质样品中同位素的相对含量和衰变速率来确定地质年代的方法。
在地质学和考古学研究中，同位素测年技术被广泛应用，为科学家们提供了重要的时间框架，帮助理解地球和生命的演化历史。
本文将介绍同位素测年的原理和方法，以及它在地质学和考古学中的应用。
一、同位素的概念和特性同位素是指具有相同原子序数（即原子核内的质子数相同）但质量数不同的原子核。
例如，碳的同位素有碳-12、碳-13和碳-14，它们的质量数分别为12、13和14。
同位素之间的差异主要体现在核外电子的数目上，因此在化学反应中，同位素的性质和化学行为基本相同。
不同的同位素具有不同的衰变特性，其中一些同位素是放射性的，其原子核会自发地发生衰变并释放出粒子或辐射。
放射性同位素的衰变速率是稳定同位素的几百万倍，这种特性为同位素测年提供了可靠的依据。
二、同位素测年的原理同位素测年基于同位素的衰变。
放射性同位素不断地以一定的速率衰变为稳定同位素，这个速率是固定的，被称为半衰期。
半衰期是元素所特有的，不同的放射性同位素具有不同的半衰期。
通过测量化石或岩石中放射性同位素的相对含量和稳定同位素的比例，可以计算出样本的年龄。
这是因为化石或岩石形成时的初始同位素比例是已知的，存活下来的同位素数量随着时间的推移而减少。
通过测量当前的同位素比例，可以推断出已经发生的衰变次数，从而计算出样本的年龄。
三、同位素测年的方法同位素测年有多种方法，不同方法适用于不同的年代范围和地质材料。
1. 碳14测年法碳14测年法是最常用的同位素测年方法之一，适用于测定地质年代和考古年代。
地球大气中的氮14与宇宙射线相互作用产生碳14，然后通过食物链进入生物体内。
当生物体死亡后，碳14开始衰变，通过测量化石或有机物样品中碳14的相对含量与稳定同位素碳12的比例，可以计算出样品的年龄。
2. 钾-氩测年法钾-氩测年法适用于测定年代在几万年至几亿年的岩石和矿物。
同位素测年的原理
同位素测年是一种用来确定物质的年龄的方法。
它是基于同位素的原子核性质和衰变过程的原理。
同位素是具有相同的原子序数但质量数不同的原子，它们在核外电子结构上具有相同的化学性质。
同位素测年通过观察同位素的衰变过程和稳定同位素的比例来确定物质的年龄。
同位素是由原子核中的质子和中子组成的。
原子核中的质子数量决定了元素的化学性质，而质子和中子的总数则决定了同位素的质量数。
同一元素的不同同位素具有相同的化学性质，但它们的质量数不同，因此具有不同的核性质。
放射性衰变是指一些核素的原子核在时间的推移中会自发地发生转变，并释放出一定的能量。
放射性衰变过程中，一种原子核通过放射衰变转变为另一种原子核。
这种衰变过程是随机的，但可以用半衰期来描述。
半衰期是指在衰变过程中，一半的原子核会衰变所需的时间。
不同同位素具有不同的半衰期，可以从此推算物质的年龄。
放射性采样是指在地质或化学过程中，自然界中的一些元素与同位素以特定的比例被捕获或固定到固体、液体或气体中。
例如，放射性同位素碳-14（14C）以特定的比例被生物体吸收，然后在生物体死亡后停止吸收。
通过测量样品中14C和稳定碳同位素的比例，可以确定样品的年龄。
同位素分数是指给定同位素的同位素原子核数量占总原子核数量的比例。
同位素分数可以通过质谱仪等仪器测量得出。
在同位素测年中，研究人员会测量样品中稳定同位素和放射性同位素的比例，然后根据已知的半衰期和放射性衰变方程来确定样品的年龄。
同位素测年方法包括放射性碳测年（利用14C的半衰期为5730年测定有机物的年龄）、钾-氩测年（利用40K的衰变产物40Ar的半衰期为1.28亿年测定岩石和矿物的年龄）、铀-铅测年（利用铀系列同位素衰变到铅系列同位素的比例来测定岩石和矿物的年龄）等。
总之，同位素测年是一种重要的地质年代学方法，它利用同位素的核性质和衰变过程来确定物质的年龄。
通过测量同位素的分数和衰变过程，可以推算出物质的年龄，从而深入研究地球历史和生物进化过程。
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真空泵 离子源
磁分析器
60 60 60
离子束
离子接收器 接 计 算 机
TIMS
（1）离子源
中性原子或分子被电离成离子，然后经过高 压电场加速并通过一系列夹缝使之形成具有 一定速度和形状的离子束，以进入磁分析器 进行质量偏转分离。
最常用的离子源种类按离子产生方式主要有：
电子轰击（气体质谱计）
Notes: Thomson is the father of Nobel laureate George Paget Thomson.
随后A.J.Dempster (1918) 和W.F.Aston (1919) 设计了 较完善的质谱仪，并进行了元素同位素丰度测定的大 量工作。
30年代，K.T.Bainbridge、J.Mattaach 和 R.Herzog 进 一步改进质谱仪器。
(A) 电子轰击型离子源：
这种离子源适用于气体电离，
在一定真空度下，关闭真空泵阀门，让一定 量的少量气体进入离子源进行电离(静态)。
或者在不断抽真空的同时, 气体样品通过一 个气体漏孔不断进入离子源进行电离（动 态）, 即所谓粘滞流进样。
MAT252 质谱计就是采用电子轰击型离子源、并采用 粘滞流进样系统。
30年代末发现天然存在元素同位素并测定其丰度的工 作已经完成.
从那以后，质谱仪器演化为研究物理、化学和生物问 题的工具。
1940年A. O’Nier 首次设计成功磁偏转角为 60的扇形磁场质谱计，然后(1947)又设计了 双接收系统，成为现代质谱计的基础，并使 得测定和解释天然物质中一些元素的同位素 组成变化成为可能。从而为同位素地质学的 发展提供了条件。
Notable students
Charles Glover Barkla Charles T. R. Wilson Ernest Rutherford Francis William Aston John Townsend J. Robert Oppenheimer Owen Richardson William Henry Bragg H. Stanley Allen John Zeleny Daniel Frost Comstock Max Born T. H. Laby Paul Langevin Balthasar van der Pol Geoffrey Ingram Taylor
Born
Died
Nationality Fields Institutions
Alma mater
Academic advisors Notable awards
18 December 1856 Cheetham Hill, Manchester, UK
30 August 1940 (aged 83) Cambridge, UK
2.2 质谱仪器的组成
质谱仪器能使物质粒子(原子、分子)离子化并 通过适当稳定的或者变化的电场、磁场将它们 按空间位置、时间先后或者轨道稳定与否来实 现质荷比分离，并检测其强度后进行物质分析 或同位素分析。
现代质谱计由三大系统组成：
分析系统 电学系统 真空系统。
★质谱计分析系统
在同位素地质学中所采用的大部分现代质谱计是 由Nier(1940)设计的质谱计的基础上发展演化的 现代Nier型质谱计由三个必需部分组成(图)： (1) 离子源 (2) 质量分析器 (3) 离子接收器。 所有三个部分都抽真空至10-6到10-9mmHg。
United Kingdom
Physics
Cambridge University
University of Manchester University of Cambridge
John Strutt (Rayleigh) Edward John Routh
Nobel Prize for Physics (1906)
Known for
Plum pudding model Discovery of electron Discovery of isotopes Mass spectrometer invention First m/e measurement Proposed first waveguide Thomson scattering Thomson problem Coining term 'delta ray' Coining term 'epsilon radiation' Thomson (unit)
表 面 热 电 离 Thermal Ionization Mass Spectrometry（TIMS/表面热电离质谱计/固 体质谱计）
二 次 离 子 化 Secondary Ionization Mass Spectrometry（SIMS/离子探针质谱计）
电感耦合等离子化（ICP－MS：等离子质谱 计）
2. 同位素测量基本原理
同位素地质学的发展是建立在同位素测量方 法/仪器发展的基础之上的。
同位素测量用同位素质谱仪器
质谱仪器可用于测定物质的分子量、原子量 及其丰度、以及同位素组成的仪器。
早期的质谱仪器是用照相法同时检测多种离 子，称为Mass Spectrograph;
现代的质谱仪器是用电子学方法来检测离子， 称为Mass Spectrometer。可用来精确测定元 素的同位素组成。
MAT253，Delta Plus
测定H、O、C、S等同位素组成采用这类离 子源质谱计。
样品（矿物、岩石、水、有机质等）要经过 一定的化学处理，制取成H2、CO2、SO2等 气体，然后引入仪器进行同位素组成测定。
化学提取氧并 且转化为CO2
(B) 表面热电离离子源
★热电离
是分析固体样品同位素 组成的常用离子源之一。 将分析样品涂敷于金属 丝(带)的表面上，在真 空中通以电流使金属丝 炽热，样品因受热而蒸 发，大部分是中性粒子， 一部分以正或负离子形 式脱出表面。
2.1 质谱仪器发展简史
第一台质谱仪是由J.J. Thomson (1913) 在 研究阴极射线过程中设计成功的。当时叫做 “positive ray apparatus”，并用这个装置揭 示了氖(Neon)有两个同位素20Ne、22Ne。
Sir Joseph John Thomson (1856-1940).