研究生物碳同位素的工作已有70多年的历史。1939年，Nier和Gulbrandsen最先指出:无机碳和有机碳的同位素组成不同，后者富集12C。此后，人们又在测定活的生物体时发现它们比大气二氧化碳和碳酸盐约轻20‰～30‰。

图3－9反映出生物碳同位素组成的一般分布情况。生物的δ13C值随生态属性而变化，分布范围在－6‰～－34‰之间。

现将植物与动物的碳同位素组成特征分述如下:

1.植物

(1)不同类型植物的同位素组成特征

陆生植物:－10‰～－37‰。

海生植物:－4‰～－28‰。

藻类:－4‰～－23‰。

湖泊植物通常比海生植物贫13C。这是由于它们进行光合作用时所利用的碳源同位素组成不一样(安藤直行，1971)。陆生植物光合作用时利用空气中的CO2，而海生植物是利用溶解于水中的重碳酸根或碳酸根。实验测定，0℃和30℃时，Δ13CCO2－3－CO2值分别为11.5‰和9.9‰;Δ13CHCO－3－CO2分别为9.2‰和6.8‰，恰与上述解释吻合。

Smith和Epstien(1971)认为富13C的植物和贫13C的植物在组织上、生理上、生物化学上和生态学上都有差别，据此，他们把高等植物分为两类:

1)植物界的多数成员属第一类，其δ13C值低，为－24‰～－37‰。

2)沙漠、盐碱沼泽地区植物以及热带草本植物属第二类，其δ13C值高，为－6‰～－19‰。

藻类作为一个独立的部分，其δ13C值的变化范围为－12‰～－23‰，恰好介于上述两类高等植物之间。

植物界碳同位素的分布与植物所进行的光合作用密切相关。按光合作用中碳循环途径的不同，可分为Calvin循环(C3循环)、Hatch-Slack循环(C4循环)和Crassulacean Acid Metabolism循环(CAM循环)。C3循环发现于小球藻中，后在多数高、低等植物中也发现同样情况，是光合作用碳转化的普遍形式。C4循环主要存在于热带禾草类等一些单子叶和双子叶植物中。景天酸代谢循环(CAM循环)产生的场所主要为一些肉质植物，如景天属、落地生根属、仙人掌属等，一般都耐干旱，其中许多是沙漠植物。

以上3种碳循环途径植物的δ13C值的分布是不同的，其一般分布范围为:C3植物为－37‰～－24‰，平均值为－27;C4植物为－16‰～－9‰，平均值为－12‰;CAM植物为－19‰～－9‰，平均值为－17‰。

3种碳循环途径植物在碳同位素组成上的差别是由于不同酶的作用和碳的新陈代谢库的不同。

前述两类高等植物，分别属于C3植物和C4植物。

(2)浮游生物同位素组成与温度的关系

图3－10 浮游生物全碳同位素组成与采样地点表层水温的关系(据Sackett等，1974)

海洋浮游生物是生物中重要的种类之一。天然海洋浮游生物群的δ13C值变化为15‰。Sackett等(1974)发现，浮游生物的碳同位素组成与采样地点的水温(生长温度，纬度)有关(图3－10)。“极地”浮游生物的δ13C值比亚热带浮游生物约低6‰，硅藻的δ13C值与温度的关系更为明显。从图3－10可看出，温度在－2℃到15℃之间浮游生物的δ13C大约从－30‰变化到－20‰。当温度接近15℃，即大致相当于暖水体系和冷水体系的分界面时，出现了碳同位素组成变化不连续的情况。这个不连续面可能是两种光合作用方式不同的浮游生物群的交界面。

(3)生物不同组分碳同位素组成存在差异

Degens等(1968)测定海洋浮游植物的各种生物化学组分的碳同位素组成后发现，不同生物化学组分的碳同位素组成差别很大(图3－11)，糖、半纤维素、纤维素的δ13C值接近整个生物的碳同位素组成，果胶明显富13C，里格宁胶和可提取的油脂最富12C。因此，在对有机碳的同位素组成作地质解释时，必须注意不同生物化学组分之间的同位素组成差异。

图3－11 Δ13C组分－植物植物的不同生物化学组分、碳同位素组成对比(据Deines，1980)

2.动物

海洋、淡水和陆生动物体的δ13C值一般落在其相应环境中生长的植物的碳同位素比值范围内。前节所述C3植物和C4植物的δ13C值分布范围不同，这种差别分别在以这两类植物为主要食物的动物的碳同位素组成上得到反映(Hains，1976;Minson，1975)。

上回我们说到，玻尔在剑桥受到冷落，1912年3月跑到曼彻斯特投奔卢瑟福，事实证明他的决定是正确的，跟着卢瑟福不仅能够学到东西，而且工作氛围相当融洽；

最重要的是，玻尔跟着卢瑟福还学到了如何成为一个好的领导者，如何去关心学生，如何与学生保持亦师亦友的关系。

这为他以后回到哥本哈根建立自己的研究所打下了非常好的基础。

在玻尔来到曼彻斯特以后，他花了几个星期的时间恶补了一些关于原子和放射性有关的知识，这是卢瑟福整个实验室研究的重点课题。

每当傍晚十分，在实验室工作结束以后，卢瑟福和学生都会坐下来一边喝着咖啡，吃着面包，一边漫天长谈；

他们谈话的主题基本上都离不开原子，气氛相当融洽，主要是卢瑟福并不会在意学生们所说的观点是否粗浅，大家可以畅所欲言，交换意见，不必担心会说错话。

在谈话的过程中玻尔结识到了一位非常要好的朋友，他叫赫维西，由于他俩都是身在异乡的外国人，英语都说得非常烂，两个人就很容易就走到了一起，谁也不嫌弃谁。

赫维西后来也是诺奖的获得者，因为他发明了放射性示踪技术，在化学和医药上有着广泛的应用。

现在我们去医院检查幽门螺旋杆菌的时候，医生会先让你吃一颗药，里面就有放射性元素碳14，然后对着检测板吹气，就可以非常方便的检测幽门螺旋杆菌。

书归正传，玻尔在于赫维西聊天的过程中，得知了现在在原子方面遇到的问题，首先是卢瑟福原子模型不稳定，其次就是按照原子重量排序的元素周期表，由于人们发现了大量的放射性，这些放射性元素在蜕变以后会生成新的元素，生成的新元素和某些已知元素的化学性质一样，但是重量却不一样。

顿时把元素周期表搞得稀碎，人们不知道应该把这些新元素放在什么位置合适。比如说铀元素在经过α衰变以后成为了一个新元素，当时人们叫它铀X；镭元素经过一系列的衰变以后形成的元素叫镭D；

人们发现铀X和钍元素的化学性质相同，但是重量不同，铀X的重量是232，钍元素的重量是234；镭D的化学性质和铅相同，但是镭D的重量是210，铅的重量是207。

要知道当时元素周期表的排列是按照原子量来排列的，很明显这些形成的新元素和已知的元素化学性质相同，但是重量不同，这样就把人们彻底搞乱了。

索迪在1910年说，形成的新元素和已知的元素化学性质相同，无法区分，唯一可区分的是他们的重量不同，认为，应该把化学性质相同的元素放在元素周期表的同一位置，这就是同位素的概念。

索迪说得没有错，但他这种说法，和当时按照重量来排列的元素周期表相违背。赫维西把这些全告诉了玻尔，还说，现在的物理学太乱了，尤其是元素周期表已经乱到了没眼看的地步。

这两个问题玻尔都记在了心里，不过他觉得原子稳定性的问题比较困难，还是先把元素周期表理顺了再说，这个问题并没有花费玻尔多长时间。

很快玻尔就认识到，元素周期表的排列顺序并不是按照原子量来排列的，而是按照原子核中的电荷数来排列的，比如氢核有一个电荷，排在第一位，氦核有两个电荷排在第二位，一直到92个核电荷的铀元素，核外的电子数量也跟核电荷的数量相等，且元素的化学性质只跟核外电子数量和排布有关。

这样一来所有的一切都顺理成章，比如人们无法区分的铀X其实就是钍232，无法区分的镭D其实就是铅210，他们原子中的电荷数相等，核外电荷的数量和排列完全相同，只是重量不同，以后区分它们只需要在元素名称后面加上原子量就行了。

而且玻尔更进一步认为，原子的放射性其实就是一种核现象，原子核释放一个阿尔法粒子，原子序数就会在元素周期表中向前移两位；释放一个β粒子，原子序数就会向后移一位。

玻尔想到这里非常激动，他认为自己的逻辑完全没有问题，就立刻把原子序数的概念和位移规律告诉了卢瑟福。

前面我们多次提到过，卢瑟福这个人非常注重实验，当玻尔把自己的想法告诉卢瑟福以后，卢瑟福告诫玻尔：不要无端的猜测。

玻尔前后找了卢瑟福不下五次，卢瑟福依旧不接受玻尔的想法，他最多相信阿尔法粒子是从原子核中释放出来的，因为他知道阿尔法粒子就是氦原子核，但是你说β粒子，也就是电子，也是从原子核中释放出来的，卢瑟福想不通原子核怎样能释放出电子。

玻尔也感觉到了卢瑟福被自己搞得有些不耐烦了，就想着说，先把这件事放一放再说，说不定哪一天卢瑟福自己就想通了。

可是，20世纪初的科学瞬息万变，有想法不赶紧发表，绝对会被别人截胡，提出同位素概念的索迪很快就发现了元素序数的概念和位移规律，和玻尔不同的是他发表文章并不需要经过别人的许可。

因此索迪在1921年就获得了诺贝尔化学奖，玻尔却因为卢瑟福的一时大意错失了一个重要的发现，或许也错过了一次诺贝尔化学奖。

不过玻尔并没有怨恨自己的老师，因为他清楚什么原子序数，什么位移规律都是一些小问题，而且就在这时，卢瑟福的另外一个学生发表了一篇论文，研究的是阿尔法粒子散射实验中，阿尔法粒子在穿过金箔以后动能损失的情况，他认为这是阿尔法粒子与原子中的电子相互作用的结果。

以此对原子中的电子进行思考。这个学生叫查尔斯·高尔顿·达尔文，他的爷爷很牛，就是我们熟知的那个统一人和猴的达尔文。

波尔立马就意识到解决卢瑟福原子模型稳定性，以及电子排布的问题，刻不容缓，因为别人已经在研究了。

这时玻尔在英国为期一年的求学生涯也即将结束，1912年的7月底他回到了哥本哈根，有一件喜事正等着玻尔，他要和女朋友玛格丽特结婚了。

8月1日，在丹麦一座小城的市政厅玻尔和妻子举行了简短的婚礼，在度蜜月的时候，玻尔和妻子专门去了一趟曼彻斯特，给卢瑟福提交一篇关于阿尔法粒子散射的论文，这篇论文被称为“曼彻斯特备忘录”。

9月初蜜月结束，玻尔回到了哥本哈根，在当地的一所技术学院获得了一个助教的职位，也就是没有正式编制的讲师，当时的丹麦整个国家就只有一所大学，哥本哈根大学。这里的教授职位很难出现空缺，再加上玻尔此时刚出道，能找到工作已经不错了。

要知道当年爱因斯坦刚毕业的时候，灰头土脸，连吃饭都成了问题。最后不得不去当个三级技术员。

在做编外讲师的期间，玻尔开始思考卢瑟福原子模型的稳定性问题，以及核外电子的排布，伟大的三部曲《论原子和分子的结构》即将诞生。