同位素效應

質量旋核質造元素素（）化質差異。素效指元素素含該元素素化合（稱素置換化合）質差異。差異，質，化質，核質。元素、化質，準確。儘管核荷決元素基化質，元素素質差異存，。類素效（素質量差異導致）二類素效（素核質差異引）。

素質量差異導致素效。顯，元素，質量差異質量引質量化，質量差異引素效元素顯。效，素離量測。重水（2H2O，或寫成D2O）和輕水（1H2O）在物理性質上就存在如下表的差異：在日常生活中，這些差異是覺察不到的。

質量引效，導致素。素化形式布差異，稱熱效；元素素置換化反速，稱效。置換化反涉及化鍵斷裂形觀察效，級效；涉及化學鍵斷裂或形成時叫二級效應。同位其化合物同位素成分不同致使生物的生長代謝不同，是生物學效應。如，在濃度比較高的重水中，蝌蚪、金魚會迅速死亡。

由同位素核性質上的差異引起。雖然同位素的核電荷相同，但中子數不同會產生一系列核性質上的不同，包括核半徑、核自旋、結合能、磁矩和四級矩、激發態譜、核反應截面等等。

對於氘、重水等重要的輕元素同位素及其化合物的宏觀物理常數，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 DO的鍵長、鍵角等微觀結構數據。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。

同位素核質量的不同使原子或分子的能級發生變化，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，並在紅外光譜和併合散射光譜的振動結構中出現新的譜線和譜帶。早期研究中曾通過分子光譜和原子光譜發現新的同位素和進行同位素分析。後來光譜同位素效應主要用於研究分子的微觀結構。

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。對於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，也是穩定同位素化學的主要研究內容。

在化學反應過程中，反應物因同位素取代而改變了能態，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。

大多數元素的動力學同位素效應很小，但對於氫和氘，動力學同位素效應較大，它們的分離係數=H/D可以達到2～10左右，式中為化學反應速率常數。

動力學同位素效應分為一級同位素效應和二級同位素效應。一級同位素效應：在決定速率步驟中與同位素直接相連的鍵發生了斷裂的反應中所觀察到的同位素效應，其KH/KD通常在2或更高。二級同位素效應：在決定速率步驟中與同位素直接相連的鍵不發生斷裂，而是分子中其他化學鍵發生變化所觀察到的效應，其KH/KD通常在0.7-1.5範圍內。

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計理論。在溶液中進行的化學反應，由於溶劑的同位素取代，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之一，還可用來研究化學反應機理和溶液理論。

1933～1934年，路易斯首先試驗了煙草種子在重水中的發芽情況，發現隨著重水濃度增高，發芽速度迅速降低；後來又發現，蝌蚪、金魚在濃重水中迅速死亡。大麥粒在發芽時優先吸收輕水，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，對於大的機體，重水的作用往往是局部的，從而破壞了整體的代謝機能，導致病態以至死亡。