硅同位素研究简介
元素周期表中的同一族元素的同位素的同位素示踪剂
元素周期表中的同一族元素的同位素的同位素示踪剂元素周期表是一种用于组织和分类化学元素的表格。
它是化学学科中的基础工具，让我们能够更好地理解不同元素的特性和性质。
周期表中的元素被分为不同的族，每个族内的元素具有相似的化学性质。
在同一族元素中，存在着多个同位素，而这些同位素在科学研究和应用中可以用作同位素示踪剂。
同位素是指同一元素的原子，它们的核外电子结构相同，但其核内的中子数不同。
不同的同位素具有不同的质量数，但由于电子结构相同，它们的化学性质非常相似。
因此，利用同位素示踪剂的原理，可以追踪和研究同一族元素在化学反应、生物过程以及环境中的运动和转化。
同位素示踪剂在广泛的领域中得到应用。
在生物学研究中，科学家可利用同位素示踪剂追踪元素在体内的代谢过程。
例如，在放射性同位素碘-131的示踪下，可以观察到碘元素在人体内甲状腺中的摄取和代谢情况。
这些信息对于了解甲状腺疾病的发生机制和治疗方法至关重要。
在环境科学中，同位素示踪剂被用于研究元素的迁移和污染扩散。
例如，镉元素的同位素示踪剂可以追踪和分析水体中镉的来源和变化过程，于是科学家能够找出镉污染的源头，并提出相应的净化和防治方案。
此外，同位素示踪剂还在地质学研究中发挥重要作用。
地球科学家利用放射性同位素示踪剂研究岩石的年代和成因。
例如，铀同位素-铅示踪系统广泛应用于地质年代学，确定矿物和岩石年代。
需要注意的是，不同同位素的半衰期时间不同，即它们放射性衰变为其他元素的速率不同。
科学家在选择同位素示踪剂时，需要根据研究对象和所需追踪的时间范围来选择合适的同位素。
同时，对于涉及放射性同位素的研究，必须严格控制实验条件和安全操作，确保不会对环境和人体造成损害。
在计算机工程领域中，同位素还被用于半导体材料的标记和示踪。
例如，通过同位素标记的硅原料可以追踪硅制品的来源和质量。
这对于确保产品质量和追溯回溯体系非常重要。
总之，元素周期表中的同一族元素的同位素可以用作同位素示踪剂，用于研究和追踪元素在不同领域中的运动和转化过程。
硅的基本性质
硅的基本性质(共36页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第一章硅的基本性质硅属元素周期表第三周期ⅣA族，原子序数l4，原子量28．085。
硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2，原子价主要为4价，其次为2价，因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物，四价化合物比较稳定。
地球上硅的丰度为25．8％。
硅在自然界的同位素及其所占的比例分别为：28Si为92．23％，29Si为4．67％，30Si为3．10％。
硅晶体中原子以共价键结合，并具有正四面体晶体学特征。
在常压下，硅晶体具有金刚石型结构，晶格常数a=0．5430nm，加压至l5GPa，则变为面心立方型，a=0．6636nm。
硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，它的许多重要的物理化学性质，如表1．1 所示。
表1．1 硅的物理化学性质(300K)[4，6]①本书中关于分子、原子、离子密度、浓度的单位简写为cm-3或cm-2。
续表性质符号单位硅(Si)磁化率德拜温度介电常数本征载流子浓度本征电阻率电子迁移率空穴迁移率电子有效质量空穴有效质量电子扩散系数空穴扩散系数禁带宽度(25℃) 导带有效态密度价带有效态密度器件最高工作温度χθDε0n iρiμnμpm n﹡m p﹡D nD pE g(△W e)N cN v厘米-克-秒电磁制K个／cm3Ω·cmcm2／(V·s)cm2／(V·s)ggcm2／scm2／seVcm-3cm-3℃×10-6650×1010×l051350480m n﹡‖=m n﹡⊥=m h﹡p=m l﹡p = (4K)×1019×10192501．1 硅的基本物理和化学性质1．1．1 硅的电学性质半导体材料的电学性质有两个十分突出的特点，一是导电性介于导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010Ω·cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光、热、磁等)高度敏感。
稳定同位素比例质谱仪(IRMS)的原理和应用
稳定同位素比例质谱仪（IRMS）的原理和应用祁彪，崔杰华同位素质谱最初是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的，同位素质谱是同位素地质学发展的重要实验基础。
当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、无机稳定同位素地球化学等各个方面，并在国家一系列重大攻关和研究课题中发挥重大作用，如金矿和石油天然气研究、水资源开发等。
稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的进一步了解，使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。
与其它技术相比，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）的情况下进行。
有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。
现在，有许多农业研究机构和大学，已经开始使用高精度同位素质谱计从事合理用肥、果实营养、固氮分析、农药毒性、家畜气候对作物的影响以及食品质量控制等多方面的研究工作。
与原子能和地质研究工作相比较，在农业和食品方面应用同位素方法从事科研和检测工作，正处于方兴未艾阶段，随着人类社会发展，对农业的要求越来越高，今后大力开展和普及用现代化方法研究农业增产、改善果实质量以及进行食品质量控制检测的工作前途无限广阔。
一、有关同位素的基本概念1、同位素（Isotope）由于原子核所含有的中子数不同，具有相同质子数的原子具有不同的质量，这些原子被称为同位素。
例如，碳的3个主要同位素分别为12C、13C和14C，它们都有6个质子和6个电子，但中子数则分别为6、7和8。
2、稳定同位素（Stable isotope）同位素可分为两大类：放射性同位素（radioactive isotope）和稳定同位素（stable isotope）。
凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素。
无可测放射性的同位素是稳定同位素。
其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物。
例如206Pb 和87Sr等。
硅单质及其化合物性质
Lu-Hf同位素体系
Lu-Hf 同位素体系简介一、Lu-Hf 同位素镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。
自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物（如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等）。
镥有两个天然同位素：175Lu 和176Lu 。
它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。
176Lu 为放射性同位素，通过β—衰变形成更稳定的176Hf 。
铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。
铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf ，它们的相对丰度分别为：0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。
其中174Hf 是放射性同位素，它通过α衰变形成稳定的170Yb 。
二、Lu-Hf 法定年基本原理：173176Lu Hf E βγ-→+++含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173177176177176177/(/)/(1)t i Hf Hf Hf Hf Lu Hf e λ=+-176Lu 的衰变常数λ=1.94±0.07×10-11a-1。
对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd 和Rb-Sr 法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf 等时线年龄。
适合于Lu-Hf 同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。
锆石的镥含量虽高达24×10-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf 年龄的测定对象。
三、Lu-Hf 法定年实例1.含石榴石变质岩的Lu-Hf 同位素定年石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。
石榴石具有较高的Hf 封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf 含量使Lu-Hf 法比Sm-Nd 和Pb-Pb 法有更优越的特点。
硅单质的分类
概论第一章硅单质及化合物的性质1.1 硅元素硅元素原子序数14，在自然界有三种同位素分别为28Si，29Si，30Si，所占比例分别为92.23%，4.67%，3.10%，硅的原子量为28.025。
硅元素在元素周期表第三周期IV A族，硅原子的价电子构型为3s23p2,价电子数目与价电子轨道数相等,被称为等电子原子，电负性为1.90，原子的共价半径为117pm，硅主要氧化数为+4和+2。
硅在地壳中的丰度为25.90%，仅次于氧，硅的含量在所有元素中居第二位，硅在自然界主要以氧化物形式（如硅酸盐矿石和石英砂）存在，不存在单质。
1.2硅单质及其性质1.2.1 硅的物理性质硅晶体是原子晶体，是深灰色而带有金属光泽的晶体，它的熔点为1420℃，沸点为2355℃，莫氏硬度为6.5。
硅晶体为脆性，密度为2.329g/cm3,比热为0.7J/(g.K)。
硅晶体形成过程是硅原子中的价电子进行杂化，形成四个sp3杂化轨道，相邻硅原子的杂化轨道相互重叠，以共价键结合，形成硅晶体。
在常压下硅晶体具有金刚石型结构。
硅单质是半导体，本征电阻率为2.3×105Ω·cm,介于导体与绝缘体之间。
硅晶体的共价键 （如图1-1）中电子在正常情况下是束缚在成键两原子周围，它们不会参与导电。
因此在绝对温度零度（T=0K）和无外界激发的条件下，硅晶体没有自由电子存在。
图1-1 硅晶体的共价键结构但在通常情况下，有部分电子因获得动能而摆脱共价键的束缚，成为自由电子。
而成键原子少了电子形成空穴（如图1-2）。
其它价电子会移动来占据空穴，一个空穴消失，但又形成一个新空穴，由此出现空穴的移动。
在半导体中自由电子和空穴均为可运动的导电电荷，又称为“载流子”。
具有这样两种载流子是半导体不同于导体、绝缘体的特点之一。
图1-2 硅晶体中的自由电子和空穴硅的电导率对外界因素（如光、热、磁等）高度敏感。
半导体按其是否含有杂质及杂质成分，分为本征半导体，杂质半导体。
古水深地球化学指标
古水深地球化学指标
古水深地球化学指标是指在古生物学中，通过对化石和岩石中元素和同位素的分析，可以重建某个区域水深的历史变化。
常用的指标包括：
1. 氧同位素比值：在深海沉积物中，氧同位素比值与水深呈反比关系。
2. 类铝质元素：在洋盆沉积物中，由于铝和铁等元素在水中主要以颗粒物的形式存在，而颗粒物浓度与深度呈正相关关系，因此这些元素的含量可以反映沉积物的深度。
3. 有机碳同位素比值：在海洋生态系统中，有机质碎屑在降解过程中产生的二氧化碳与周围海水中的二氧化碳同位素比值变化，可以反映水深变化。
4. 硅同位素比值：海洋中的硅酸盐与硅藻有关，硅藻在水深较浅的海区更易生长，因此通过硅同位素比值可以推测海水中硅藻的生长环境。
这些指标的分析可用于判断海洋沉积物的成因和发育环境，为古生态学、古海洋学和古气候学等领域的研究提供重要依据。
Lu-Hf同位素体系分析
Lu-Hf 同位素体系简介一、Lu-Hf 同位素镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。
自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物（如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等）。
镥有两个天然同位素：175Lu 和176Lu 。
它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。
176Lu 为放射性同位素，通过β—衰变形成更稳定的176Hf 。
铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。
铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf ，它们的相对丰度分别为：0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。
其中174Hf 是放射性同位素，它通过α衰变形成稳定的170Yb 。
二、Lu-Hf 法定年基本原理：173176Lu Hf E βγ-→+++含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173177176177176177/(/)/(1)t i Hf Hf Hf Hf Lu Hf e λ=+-176Lu 的衰变常数λ=1.94±0.07×10-11a-1。
对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd 和Rb-Sr 法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf 等时线年龄。
适合于Lu-Hf 同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。
锆石的镥含量虽高达24×10-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf 年龄的测定对象。
三、Lu-Hf 法定年实例1.含石榴石变质岩的Lu-Hf 同位素定年石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。
石榴石具有较高的Hf 封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf 含量使Lu-Hf 法比Sm-Nd 和Pb-Pb 法有更优越的特点。
地球化学中的元素和同位素地球化学
地球化学中的元素和同位素地球化学地球化学是一个研究地球物质中元素、同位素分布和演化的学科。
元素是构成地球物质的基本物质，同位素则是同一元素中质量数不同的不同原子核。
元素和同位素的地球化学分析可以帮助我们了解地球的演化历史、地球环境变化、地质过程等多个方面。
一、元素的地球化学元素是地球化学研究的基本单位，地球上的元素分布受制于地球的演化历史和物质组成。
总体而言，地球表层分布的元素可以分为地壳元素、海洋元素和大气元素。
地壳元素是地壳中丰富的元素，包括氧、硅、铝、铁、钙等等，它们占到地壳质量的99%以上。
其中最丰富的是氧元素，它占地壳中质量的46.6%，其次是硅元素，占28.2%。
地壳元素的绝大部分都是宇宙尘埃在地球形成过程中沉积下来的，也有部分来自于岩浆的分异作用和地球内部的物质漏失。
海洋元素主要包括钠、氯、镁、钙等，以及微量元素如铬、钴、铜、锌、铅等。
这些元素常常被沉积在海洋底部的海底泥中，它们的含量一般很低且难以采集分析。
大气元素包括氢、氧、氮、碳以及其他的惰性气体。
其中氧和氮占了大气元素的绝大部分，占比分别为21%和78%。
大气元素是通过地球大气层的物理、化学和生物过程不断循环传输的，它们对地球环境的影响也很大。
二、同位素地球化学同位素是同一元素中质量数不同的不同原子核，同位素地球化学就是研究地球物质中同位素分布和演化的学科。
同位素地球化学的核心是同位素分析技术，它包括同位素质谱分析、放射性同位素年代学和同位素示踪技术。
同位素质谱分析是一种高精度的技术手段，它可以对地球物质中同位素的含量进行精确定量分析。
例如，氧同位素的分析可以用来研究古气候变化，硫同位素的分析可以用来追踪地球物质的来源和演化历史，铅同位素的分析可以用来研究地球内部物质演化和大气污染状况等。
放射性同位素年代学是利用放射性同位素的半衰期来测定物质年龄的技术手段。
不同放射性同位素的半衰期不同，因此可以用来测定不同时间尺度的物质年龄，例如，碳-14同位素可以用来测定古代有机物的年代，铀-铅同位素可以用来测定地球地质历史上的时间尺度。
化学元素硅
化学元素硅（Si）详解硅guī（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。
原子序数14，相对原子质量28.09，有无定形和晶体两种同素异形体，同素异形体有无定形硅和结晶硅。
属于元素周期表上IVA族的类金属元素。
晶体结构：晶胞为面心立方晶胞。
原子体积:(立方厘米/摩尔)12.1元素在太阳中的含量:(ppm)900元素在海水中的含量:(ppm)太平洋表面0.03地壳中含量：（ppm）277100氧化态：MainSi+2,Si+4Other化学键能：(kJ/mol)Si-H326Si-C301Si-O486Si-F582Si-Cl391Si-Si226热导率:W/(m·K)149晶胞参数：a=543.09pmb=543.09pmc=543.09pmα=90°β=90°γ=90°莫氏硬度：6.5声音在其中的传播速率：（m/S）8433电离能(kJ/mol)M-M+786.5M+-M2+1577.1M2+-M3+3231.4M3+-M4+4355.5M4+-M5+16091M5+-M6+19784M6+-M7+23786M7+-M8+29252M8+-M9+33876M9+-M10+38732晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4克／立方厘米，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。
硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液，用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。
硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％，结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。
化学性质非常稳定。
在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。
硅的用途：①高纯的单晶硅是重要的半导体材料。
在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可做成太阳能电池，将辐射能转变为电能。