[科普中國]-磁同位素效應

磁同位素效應（Magnetic isotope effect):涉及反應物自旋選擇的化學反應過程，如自由基對的反應，稱為磁同位素效應。

同位素效應同位素效應同位素分析和同位素分離的基礎，是由于質量或自旋等核性質的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學性質有差異的現(xiàn)象。

基本概念/同位素效應編輯由于質量或自旋等核性質的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學性質有差異的現(xiàn)象。

詳細內涵/同位素效應編輯同位素效應是同位素分析和同位素分離的基礎。它在化學結構基本不變的情況下引起物理、化學常數(shù)的改變，因此能更深入地揭示物質微觀結構與性質之間的關系。

對于氘、重水等重要的輕元素同位素及其化合物的宏觀物理常數(shù)，在20世紀30年代雖已作了普遍測定，至今仍不斷補充和修正。50年代測定了諸如 D2O的鍵長、鍵角等微觀結構數(shù)據(jù)。70年代以來，開始深入到同位素取代異構分子的研究。動力學同位素效應的研究也深入到生命過程的研究中。同位素效應可分為光譜同位素效應、熱力學同位素效應、動力學同位素效應和生物學同位素效應。

光譜同位素效應同位素核質量的不同使原子或分子的能級發(fā)生變化，引起原子光譜或分子光譜的譜線位移。核自旋的不同，引起光譜精細結構的變化。如果分子中某些元素一部分被不同的同位素取代，從而破壞了分子的對稱性，則能引起譜線分裂，并在紅外光譜和并合散射光譜的振動結構中出現(xiàn)新的譜線和譜帶。早期研究中曾通過分子光譜和原子光譜發(fā)現(xiàn)新的同位素和進行同位素分析。后來光譜同位素效應主要用于研究分子的微觀結構。

熱力學同位素效應同位素質量的相對差別越大，所引起的物理和化學性質上的差別也越大。對于輕元素同位素化合物的各種熱力學性質已作過足夠精密的測定。熱力學同位素效應研究中最重要的，是同位素交換反應平衡常數(shù)的研究，已在實驗和理論方面進行了大量工作。蒸氣壓同位素效應也很重要，已可半定量地進行理論計算。熱力學同位素效應是輕元素同位素分離的理論基礎，也是穩(wěn)定同位素化學的主要研究內容。

動力學同位素效應在化學反應過程中，反應物因同位素取代而改變了能態(tài)，從而引起化學反應速率的差異。1933年G.N.路易斯等用電解水的方法獲得接近純的重水，證實同位素取代對化學反應速率確有影響。
大多數(shù)元素的動力學同位素效應很小，但對于氕和氘，動力學同位素效應較大，它們的分離系數(shù)α=kH/kD可以達到2～10左右，式中k為化學反應速率常數(shù)。
早期動力學同位素效應是用經典的碰撞理論來解釋的。1949年J.比格爾艾森建立了動力學同位素效應的統(tǒng)計理論。在溶液中進行的化學反應，由于溶劑的同位素取代，而產生溶劑同位素效應。動力學同位素效應是分離同位素的重要根據(jù)之一，還可用來研究化學反應機理和溶液理論。

生物學同位素效應1933～1934年，路易斯首先試驗了煙草種子在重水中的發(fā)芽情況，發(fā)現(xiàn)隨著重水濃度增高，發(fā)芽速度迅速降低；后來又發(fā)現(xiàn)，蝌蚪、金魚在濃重水中迅速死亡。大麥粒在發(fā)芽時優(yōu)先吸收輕水，剩液中富集了重水；鋰被酵母吸收后,也可以富集鋰6。以上均表明發(fā)生了同位素的生物學分離。
在生物學同位素效應中，以氘的效應最為顯著。一般認為，在重水中生化反應速率減慢,對于大的機體,重水的作用往往是局部的,從而破壞了整體的代謝機能,導致病態(tài)以至死亡。

超導體同位素效應1950年，麥克斯韋和雷諾茲、塞林同時發(fā)現(xiàn)超導體的臨界溫度和同位素質量有關系。即同一種元素，所選的同位素質量越高，臨界溫度越低。超導體的同位素效應表明，公有化電子向超導電子有序態(tài)轉變的過程反映了晶格點陣運動性質的影響。因此，必須顧及晶格點陣運動以及公有化電子兩個方面。這個發(fā)現(xiàn)給后來的BCS理論很多啟發(fā)。

磁同位素效應磁同位素效應（Magnetic isotope effect):一些具有選擇原子核自旋的化學反應；其反應速度和反應物的核自旋及核磁矩有關；如自由基對的反應，這種反應由反應物核的自旋量子數(shù)和磁的相互作用所決定，稱為磁同位素效應。

原來較為熟悉的經典同位素效應是由反應物的分子開始和轉遞狀態(tài)的化學能為主導，由反應物核的質量所決定1。

本詞條內容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學