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氧同位素古气候学

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古海洋学 12.740 2004 年 春季 讲义1 同位素古气候学 氧气学一.同位素古候 摘自Broecker 和Oversby ,Chemical Equ ilibria in the Earth ,P.151 如上示意图表示的是能量零点(zero-point energy )和分子质量之间的关系,分别以H2,D2,HD为例。 1. 尤里(Urey)同位素热力学性质:动力学统计平衡和红外光谱分析 由于同位素原子所处的能量水平不同,一般在不同温度下可以对同位素进行平衡分馏。 被一根弹簧连接的两物体发生振动,振动频率决定于两物体的质量(以及弹簧的劲度系数)。同样的,物体旋转运动和平移运动的运动学特征也与物体质量相关。这一原理也是对同位素进行分馏的理论依据。 基态能量图解: 三种分子的基本振动频率是:H2:4405cm-1,HD:3817 cm-1,D :3119 cm-1。 2能量零点的大小顺序是:H 〉HD〉D 。 22 同位素原子之间基态能量的差异导致了动力学分异,质量小的原子的活化能也较小;能量水平的差异导致同位素原子在平衡分馏时的行为不同。一个简单(但可能是粗糙的)的道理:较重的原子会“选择”更为稳定的状态。举例来说,平静状态下水蒸气约比水轻 0.9%。 转动-振动-平动:物体的三种运动方式。 方解石地温计公式: 公式(1)中,K(T)表示在温度为T时的平衡常数,ΔGO表示吉布斯自由能变化值(初态减末态),R是热力学常数,T是反应温度。 从理论上来说,平衡常数 K 可以由原子能级的热力学统计得到: 热力学统计: 首先假定所有这些具有系统全部的能量的各种不同状态,是等可能性的。 举例来说,如下图示,我们有 5 个粒子,以及 5 单位的能量。一种可能的状态是所有 5个粒子分别具有 1 单位的能量;另一种状态是其中一个粒子(但是是哪一个粒子呢?)具有5 单位的能量,而其他 4 个粒子都没有能量;这两种状态是等可能性的。 有了等概率假定为基础,我们开始计算方解石地温计公式。 fi是第i种能量状态的概率; 而对于粒子的每一种运动形式,转动我们用 rot 表示(rotation),振动用 v ib 表示(v ibration),平动用trans表示(translation),它们分别的配分函数是: 总体的能量用tot 表示(total),则粒子总共的配分函数是: (关于能量零点和配分函数的有关知识,详见配分函数.htm) 当N 很大时,我们有 因此,有 (这一步,原文的推导似有误,e/N 应为N/e。) 根据统计力学的简单结论,平衡态条件下,平衡常数与原子能量的直接关...

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