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【知识问答】Urey-Bigeleisen-Mayer方程如何揭示同位素分馏的秘密?

已有 516 次阅读 2024-2-27 15:26 |个人分类:自然科学|系统分类:科研笔记

Q1. 什么是Urey-Bigeleisen-Mayer方程?

答:Urey-Bigeleisen-Mayer(UBM)方程是一个在稳定同位素地球化学中非常有用的模型,它描述了在同位素交换反应中近似的平衡同位素分馏现象。这个方程告诉我们,同位素在不同分子间的分布是如何随着反应进行而变化的。

Q2. 这个方程怎么用?

答:这个方程通过比较参与反应的不同同位素分子的分部函数,计算出它们之间的平衡常数。它可以用来预测在化学反应或者自然过程中,同位素如何在不同物质之间进行分离。

Q3. Urey-Bigeleisen-Mayer方程是怎么发现的? 

答:这个方程最早是由诺贝尔奖得主哈罗德·尤里(Harold Clayton Urey))以及雅各布·比盖莱森(Jacob Bigelesen)和玛丽亚·古埃珀特·梅耶(Maria Gueppert Meyer)在1947年独立提出的。他们都曾参与曼哈顿工程,研究同位素分离的相关问题。

Q4. 这个方程有什么用? 

答:这个方程在量子化学和地球化学等领域广泛应用,帮助科学家了解同位素在各种环境和反应中的行为。例如,通过模拟同位素的分馏情况,可以推测过去的地球环境温度(作为古温度计使用),也可以研究生物体内的酶促反应和地质过程等。

附:Urey-Bigeleisen-Mayer方程简化版

Urey, Bigeleisen和Mayer计算的简化版本,用于确定热力学平衡时的同位素分布。是否存在一组由压力或其他热力学变量主导的分馏过程,可以形成新的代理的基础?(引自: Preston Kemeny)链接:https://elementalcycles.org/other-interesting-ideas

    在稳定同位素地球化学中,UBM方程是一个描述同位素交换反应中近似平衡同位素分馏现象的模型。尽管这个方程式本身可以用多种形式书写,但通常情况下会以涉及特定反应的同位素分子的配分函数比率形式展现。方程广泛应用于量子化学和地球化学领域,并常常与其他量子化学建模方法(例如密度泛函理论)相结合或进行修改,旨在提高计算结果的精确度和准确度,同时降低计算成本。UBM方程是描述同位素交换反应中近似平衡同位素分馏现象的一种强大工具。此方程由诺贝尔奖得主哈罗德·尤里以及雅各布·比盖雷森和玛丽亚·古埃珀特·梅耶在1947年独立提出,他们当时均为曼哈顿工程的科学家,致力于研究同位素分离技术的发展。鉴于UBM模型是一种近似方法,实际应用中往往需要附加修正以提高精度。UBM方程自其诞生以来,已在量子化学和地球化学等多个科学领域得到了广泛应用。它不仅用于预测化学反应中的平衡同位素效应,还帮助解读系统内同位素和同位素化合物分布的偏离自然丰度现象。此外,该方程还可解释光谱学中的同位素位移,诸如来自核场效应或质量无关效应的位移。在生物化学中,UBM方程有助于模拟酶催化的动力学同位素效应。而在计算系统生物学的模拟测试中,模型常作为建立更复杂生物系统模型的基础。尤为值得一提的是,UBM方程在同位素地球化学中发挥着至关重要的作用,通过模拟和解释同位素分馏模式,科学家可以重构过去的地球环境特征,以及分析地表过程的演变。这一方程见证了物理科学与地球科学之间的深度交融,为我们揭示了地球历史的微观印记,进一步加深了我们对自然界的理解。

资料来源:英文维基百科:Urey–Bigeleisen–Mayer equation,Isotope geochemistry modelling method / From Wikipedia, the free encyclopedia,

https://www.wikiwand.com/en/Urey%E2%80%93Bigeleisen%E2%80%93Mayer_equation

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哈罗德·克莱顿·尤里(Harold Clayton Urey,1893年4月29日-1981年1月5日)是一位美国著名的化学家和物理学家,以其在同位素化学领域的开创性工作而闻名于世。他在1934年因为发现了重氢(氘,也称氘素,符号为D,是氢的稳定同位素,原子核包含一个质子和一个中子)而荣获诺贝尔化学奖,这项发现极大地推动了核物理学和宇宙化学的发展。尤里在科研生涯中还积极参与了曼哈顿计划,为原子弹的研发做出了贡献。他不仅是同位素科学的先驱,还在宇宙化学领域提出了关于太阳系起源的“原始汤”假说,该假说认为太阳系早期的物质经过一系列化学反应形成了生命所需的有机分子。尤里在教育界也有卓越表现,他曾任教于哥伦比亚大学、芝加哥大学以及加州大学圣地亚哥分校等知名学府。他的研究工作深刻影响了化学动力学、同位素效应、地球化学和生命起源等多个科学分支,对现代科学和工程技术的进步做出了不可磨灭的贡献。

雅各布.比格雷森(Jacob Bigeleisen,1919-2010)是一位杰出的美国化学家,以其在同位素地球化学领域的开创性贡献而知名。他在曼哈顿计划中从事分离铀-235的工作,该同位素对于维持核裂变及制造原子弹至关重要,但自然状态下仅占铀矿石的不足1%。尽管他所研究的光化学方法未能实现大量提取铀-235,但这些努力催生了同位素化学领域的发展,深入探究不同同位素如何形成化学键。战后,Bigeleisen与哈罗德·尤里合作研究海洋生物化石中氧同位素比例变化,据此确定了史前动物生活时期的海水温度。他先后在俄亥俄州立大学和芝加哥大学开展研究,1948年受聘于布鲁克海文国家实验室,后于1968年转至罗切斯特大学,1978年加盟纽约州立石溪大学。1966年,他当选为美国国家科学院院士,并于次年成为美国艺术与科学学院会员。1974年,他荣获古根海姆奖学金。

玛丽亚·格佩特-梅耶Maria Goeppert Mayer(1906年6月28日—1972年2月20日)是德裔美籍物理学家,因提出原子核的核壳层模型而荣获诺贝尔物理学奖,她是继玛丽·居里后第二位获此荣誉的女性。1986年设立的玛利亚·古埃珀特-梅耶奖就是为了纪念她在物理学领域的贡献,并鼓励早期职业阶段的女性物理学家。梅耶1906年出生于德国卡托维兹,1930年与化学家约瑟夫·爱德华·梅耶结婚后移民美国。在哥廷根大学完成学业后,她的博士论文探讨了原子可能发生的双光子吸收理论,尽管在激光发明前这似乎难以实证,但随着1960年代激光技术的突破,她的理论得到证实,并以此命名了双光子吸收截面单位——古埃珀特-梅耶单位(GM单位)。在美国工作期间,由于约翰斯·霍普金斯大学的反裙带关系政策,她未能获得正式教职,但仍以助理身份就职,并于1935年发表关于双重β衰变的标志性论文。二战期间,她参加了曼哈顿计划,在哥伦比亚大学负责同位素分离工作,并与爱德华·泰勒在洛斯阿拉莫斯实验室共同研究热核武器。战后,梅耶在芝加哥大学担任自愿副教授及阿贡国家实验室的资深物理学家。在此期间,她创建了描绘原子核壳层结构的数学模型,这一成就使得她在1963年与J·汉斯·D·詹森和尤金·维格纳共同获得了诺贝尔物理学奖。1960年,她被任命为加州大学圣地亚哥分校的全职物理学教授,其研究成果对物理学界产生了深远影响。



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