氙气同位素(Xe同位素)的来源和应用!
氙气是一种无色、无味、不燃烧的惰性压缩气体,空气中含有90ppm。氙气可以溶解在细胞油中,引起细胞麻醉和膨胀,暂时停止神经末梢。80%氙气和20%氧气的混合物被用作无副作用的麻醉剂。氙气可用于检测原子能工业中高速粒子、粒子和介子的存在。
用于测量脑血流量,研究肺功能,计算胰岛素分泌。
已知氙气有32种同位素,包括氙气113、氙115至氙145。
氙气和其他同族元素最初被称为惰性气体(现在改为稀有气体),不易与其他物质发生化学作用,但自1962年以来,氙气化合物被发现。已知的氙气化合物有氟化物(二氟化氙气、四氟化氙气、六氟化氙气)80多种。、氢化物和氙化物,以及高氙酸钠。三氧化氙具有很强的爆炸性。氙化合物除个别化合物外,无色。
自然形成的氙气由8个稳定的同位素组成,在每个元素中排名第二。第一个是锡,它有10个稳定的同位素。氙和锡是唯一一个稳定的同位素超过7个的元素。根据预测,同位素气体124xe和134xe可以进行双重β衰变,但没有实验证明,所以这两种氙气同位素仍然被认为是稳定的。氙气除了这些稳定的同位素外,还有40多种不稳定的同位素。其中136xe寿命最长,将是双重的β半衰期为2.11×1021年。129I在β衰变之后,会产生129Xe同位素。半衰期为1600万年。此外,131mXee。、133Xe、133mxe和135xe都是235U和239Pu的核裂变产物,因此被用来检测核爆炸的发生。
氙气的两种稳定同位素129xe和131xe具有非零固有角动量(可用于核磁共振)。氙气的核自旋对齐可超过普通极化。这种自旋极化可以超过其最高可能值的50%,远远超过玻尔兹曼分布的平衡值(通常在室温下不超过最高值的0.001%)。这种不平衡的自旋对齐是短暂的,称为超极化现象。氙气的超极化过程称为光抽(但不同于激光抽)。
由于129Xe原子核的自旋转为1/2,其电四极矩为零,因此129Xe核在与其它原子碰撞时不会相互作用。这样,它的超极化状态可以持续更长时间,甚至在激光束关闭和碱气体在室温表面凝结之后。129Xe的自旋极化可以在血液中持续数秒,在气态下持续数小时,在深度冷冻的固态下持续数天。相比之下,131Xe的核自旋转为3/2,四极矩不为零,T1的放松时间在毫秒到秒之间。
一些同位素,如133xe和135xe,可在核反应炉中照射裂变物质。在核裂变反应炉中,135xe起着重要作用。热中子截面非常高(2.6)×106靶恩)可以作为中子吸收剂或中子毒物,从而减缓或停止连锁反应。氙在曼哈顿计划中使用的最早反应炉中。作为反应炉中的中子毒物,135xe对切尔诺贝尔核事故有重要影响。关闭反应炉或降低功率会导致135xe的积累,使反应炉进入所谓的碘坑(或氙坑)状态。
高浓度放射性氙同位素可在不利条件下从核反应炉中释放出来,包括从开裂的燃料棒或冷却水中的铀中释放出裂变产物。
陨石中氙气同位素的比例可以用来研究太阳系的形成和进化。碘氙放射性定年法可以测量核合到太阳星云中固体物体收缩的时间。1960年,物理学家约翰·雷诺(JohnH.Reynolds)发现陨石中氙气的129含量非常高。他推断这是碘-129的衰变产物。这种同位素可以通过宇宙射线分散和核裂变慢慢产生,但只能在超新星爆炸中产生。由于129I的半衰期(1600万年)比宇宙时间短,可以推断从超新星爆炸到陨石凝固的时间非常短。在太阳系形成之前,一颗超新星爆炸,产生129xe同位素,这也可能导致前太阳云收缩。
包括129xe/130xe和136xe/130xe在内的其他氙同位素比例也可以用来研究行星分化和气体释放过程。举例来说,火星大气层的氙含量与地球相似,约为0.08%,但其129xe比例高于地球和太阳。这类同位素是由放射性衰变引起的,因此火星在形成后1亿年内很可能会失去大部分原始大气。地球形成后不久,新墨西哥州二氧化碳井气中发现的高比例129xe是地球形成后产生的气体之一。