热梯度下同位素分馏理论研究新进展

在有温度梯度存在的体系中，热扩散作用不仅导致元素在高温端和低温端发生明显分异，同位素也会在两端发生显著的分馏，但是，目前对这类过程的微观机理研究十分薄弱。在国家自然科学基金、中科院重要方向项目等课题的资助下，矿床地球化学国家重点实验室的李雪芳与刘耘基于量子力学及统计力学的理论，对热梯度下同位素分馏的进行了深入研究，取得了新的进展，成果发表在GCA杂志上。 

此研究推导出了一个普适的热扩散过程的同位素分馏计算公式：

只要知道体系中轻重同位素的配分函数比（即能量之比）与温度之间的关系， 即可通过积分得到某一温度梯度下的同位素分馏大小。 

李雪芳和刘耘发现，在高温下(>800°C)，利用高温近似处理，热梯度下的同位素分馏可以进一步用此公式来表示： 

A,B均为常数，T和T₀是两端的温度（以Kelvin为单位）。由于高温下第二项通常非常小，在万分之一或更小，通常可以忽略不计，因而得到一个更简单的计算高温热梯度体系同位素分馏的公式： 

m*和m是两个同位素的质量（比如对Mg同位素，m*是26，m是24）。此公式显示了在非常高的温度下，同位素分馏只与温度梯度有关，与其他化学结构方面因素无关，这一结论澄清了前人的相关争论。另外，该公式把看似复杂的热扩散过程同位素的分馏计算大大简化了，任何人都可以用它方便地计算几乎所有同位素体系在高温热梯度下的分馏，可以应用于许多地学相关方向的研究。该公式的预测能够对包括镁、铁、钙等同位素体系的一系列实验数据相吻合（Richter et al., 2008, 2009; Huang et al., 2009, 2010）。