同位素分馏的核体积效应研究取得进展

随着质谱仪技术的不断进步，稳定同位素的研究对象从传统的C、H、O、N、S体系，扩展到了一些非传统稳定同位素（或称金属同位素）体系。一个曾经非常普遍的看法是，随着原子序数增加，重元素的同位素平衡分馏会逐渐减少，直到接近于零，因此，就没有必要研究非常重的稳定同位素体系。近几年的研究发现，除了传统的质量依赖分馏外，还存在着一种能引起重金属同位素体系发生较大分馏的因素—“核体积效应”（或“核场效应”）。由于“核体积效应”的发现，重元素同位素的“平衡分馏”趋势并非随原子序数增加而单调减小，而是常常被扩大，例如，一些非常重的同位素体系（比如Hg、Tl、U等），都体现了远远超过预期的分馏范围。因此，核体积效应的研究改变了对同位素分馏的传统认识，是未来涉及第五、六周期的重元素稳定同位素分馏研究不可或缺的部分。 

核体积效应是由同位素的原子核大小和形状的不同而引起基态电子能不同的同位素分馏现象，它是重元素稳定同位素体系所特有的现象。矿床地球化学国家重点实验室的博士生杨莎与其导师刘耘研究员，对Hg、Tl、Pb同位素体系的一些气态和液态化合物的核体积效应进行了精确的计算。他们使用基于四分量的全电子Dirac-Hartree-Fock（DHF）理论对Hg、Tl、Pb同位素体系的相对论电子结构进行计算。同时，使用“有限核模型”的方法对Hg、Tl、Pb同位素的原子核进行处理。计算结果显示，只考虑传统的质量依赖效应时，单个的原子和离子之间不存在分馏，但是核体积效应却引起Hg²⁺与Hg⁰、Tl⁺与Tl⁰、Tl³⁺与Tl⁰、  Pb²⁺与Pb⁰、Pb⁴⁺与Pb⁰之间发生了巨大的分馏（例如，室温时，Hg²⁺与Hg⁰之间的分馏达到3.61‰）。该研究首次计算了Pb⁴⁺-与Pb²⁺-物种之间的平衡分馏，发现Pb⁴⁺-与Pb²⁺-物种之间的分馏在室温时能达到4‰，不仅远远大于Pb²⁺-物种之间的分馏，也比质量小得多的Fe³⁺-与Fe²⁺-物种之间的分馏还大。如此大的Pb同位素分馏将为年轻和封闭的地质系统提供一个新的氧化还原变化指示物。并且，该研究还发现核体积效应不仅能引起了Hg、Pb体系的奇数非质量分馏，还能引起偶数非质量分馏。但是他们发现，核体积效应引起的Hg-200偶数非质量分馏不仅较小，而且方向同在高纬度雪样中发现的Hg-200偶数非质量分馏相反，因而，不是导致那些Hg偶数非质量分馏的原因。 

该成果发表在SCI杂志《Scientific Reports》上:Yang, S. and Liu, Y. Nuclear volume effects in equilibrium stable isotope fractionations of mercury, thallium and lead.Sci. Rep. 5, 12626; doi: 10.1038/srep12626 (2015). 

原文链接：www.nature.com/articles/srep12626