同位素 · aiwiki.page

同位素是按原子核中中子数区分的同一种化学元素的不同类型。同一种元素的各同位素含有相同数量的质子，但中子数量不同，因此具有相同的原子序数和不同的质量数。它们的化学性质通常相似，但质量和核性质有所不同。有些同位素是稳定的，另一些则会发生放射性衰变。“同位素”描述的是不同核素之间的关系，并不是放射性物质的同义词。(goldbook.iupac.org)

核素的判定与表示方法

原子由原子核及其周围的电子组成。质子数通常记作 $Z$ ，决定原子属于哪种元素。中子数记作 $N$ ，质量数则是两者之和：

A=Z+N.

具有特定质子数和中子数的原子种类称为核素。 $Z$ 相同而 $A$ 不同的核素，是同一种元素的同位素。因此，增加一个中子会改变原子的同位素类型，却不会改变其所属元素。(isotopes.gov)

标准表示法将质量数写在元素符号的左上角，原子序数写在左下角： ${}^{A}_{Z}\mathrm{X}$ 。例如，碳-14 表示为 ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ ，常简写为 ${}^{14}\mathrm{C}$ 或 C-14。碳-12、碳-13 和碳-14 都有六个质子，但分别有六个、七个和八个中子。氢也是一个常见的例子：氕、氘和氚分别含有零个、一个和两个中子。(isotopes.gov)

质量与同位素丰度

质量数是以整数表示的粒子数量，而不是原子质量的精确测量值。碳-13 的质量数为 13，但其测得的原子质量约为 13.003355 道尔顿。相比之下，碳-12 的原子质量恰好为 12 道尔顿，因为相对原子质量的参考标度就是以它定义的。(goldbook.iupac.org)

样品中某种元素的原子量，既取决于其各同位素的质量，也取决于它们的相对丰度。若各同位素的质量为 $m_i$ ，物质的量分数为 $x_i$ ，则平均原子质量为

\overline{m}=\sum_i x_i m_i,\qquad \sum_i x_i=1.

天然碳绝大部分是碳-12，碳-13 约占百分之一，碳-14 的含量则少得多。不同物质中的这些比例并不完全相同。物理、化学和生物过程会造成可测量的变化，因此某些元素的标准原子量用区间表示，而不是一个普遍适用的单一数值。(ciaaw.org)

稳定同位素与放射性同位素

稳定同位素是尚未观察到会自发发生放射性衰变的同位素。放射性同位素的原子核不稳定，会转变为其他核素，同时释放粒子或辐射。尽管属于同一种元素，不同同位素的核性质也可能差异显著：碳-12 是稳定的，而碳-14 具有放射性。(isotopes.gov)

放射性用统计规律描述。放射性同位素的半衰期，是最初存在的一群原子核中半数发生衰变所需的时间。对于衰变常数 $\lambda$ 保持不变的单一核素群体，

N(t)=N_0e^{-\lambda t}, \qquad t_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda}.

碳-14 的半衰期约为 5,730 年，并通过贝塔衰变转变为氮-14。半衰期表征的是一群原子核的衰变速率，并不能确定某一个原子核何时会发生转变。(isotopes.gov)

化学性质与分馏

同一种元素的中性同位素原子具有相同数量的电子，而电子在很大程度上决定了它们的化学性质。因此，它们参与反应时的表现相似，但不一定完全相同。改变同位素组成可能改变反应速率或平衡常数。这些差异称为同位素效应，可用于研究化学反应。(isotopes.gov)

同位素分馏是指同位素在不同物质或不同相之间发生选择性分配的现象。在水的蒸发和凝结过程中，氢和氧的不同同位素在液相与气相中的分配有所不同。分馏受温度、过程是否接近平衡等条件影响。生物过程也会对不同同位素表现出选择性：例如，光合作用产生的有机物，其碳-13 含量相对于碳源通常偏低。(wwwrcamnl.wr.usgs.gov)

测量与应用

同位素组成通过专门的质谱法测量，尤其是同位素比值质谱法。测量时，通常将样品中重同位素与轻同位素的比值同参考物质中的相应比值进行比较。微小的相对差异用 δ 记法表示，通常以千分数报告。统一的参考标度使不同实验室和不同材料的测量结果能够相互比较。(wwwrcamnl.wr.usgs.gov)

在地质学中，放射性测年利用放射性衰变及母体与子体同位素之间的关系来估算年代。不同的同位素体系适用于不同的时间尺度。碳-14 对测定年代较近的含碳材料十分重要，而钾–氩和铀–铅体系则用于年代久远得多的地质材料。要可靠地解释测年结果，必须考虑初始同位素条件，以及相关元素后来是否有所增加或流失。(pubs.usgs.gov)

稳定同位素比值可提供有关物质来源和迁移的信息。氢和氧的同位素有助于研究地下水补给和水的迁移；碳同位素则有助于重建食物组成和古环境。放射性同位素在医学、工业检测和科学研究中也已有成熟应用，其可探测的辐射使它们能够与周围物质区分开来。(pubs.usgs.gov)

历史发展

研究表明，一些放射性物质只是已知元素的不同类型，而非独立的元素。弗雷德里克·索迪据此于 1913 年提出了“同位素”（isotope）一词。他对同位素的研究是其获得 1921 年诺贝尔化学奖所表彰的工作的一部分。随后，弗朗西斯·威廉·阿斯顿利用他研制的质谱仪，证实了许多非放射性元素也存在同位素，并因这一工作获得 1922 年诺贝尔化学奖。这些发现确立了一个事实：同一种元素的原子并不一定都具有相同的质量。(nobelprize.org)