同位素

同位素，但中子數目不同，故質量數不同。由於這些核種屬於同一種化學元素，在化學元素週期表佔有同一個位置，因此得名。例如自然界的氫元素由氕三種核種組成，它們原子核中都有1個質子，但是它們的原子核中分別有0個中子、1個中子及2個中子，質量數分別為1、2、3，所以它們三者互為同位素。同一元素的所有同位素之化學性質幾乎相同，但它們彼此的核穩定性各不相同，物理性質也有些微差異。同位素的英文isotope是由希臘文詞根isos組成，意思是“同一個地方”。該詞由蘇格蘭醫生兼作家於1913年創造並在與英國化學家弗雷德裡克·索迪談話時提出。同位素與核種.核種是指原子的種類，由原子核內質子及中子的數量及核的能態作區分，例如碳-13是具有6個質子和7個中子的核種。核種在概念上較強調原子的核性質而非化學性質，而同位素的概念則是將所有原子依其所屬元素進行分類，因此更加強調原子的化學性質。中子數對原子的核性質有很大的影響，但對大多數原子的化學性質之影響可忽略不計。儘管對於較輕的元素，其核內中子數與質子數之比在同位素之間變化較大，對其化學性質的影響通常也十分微小。同位素一詞最初主要用於比較，概念上較強調質子數相同而質量數/中子數不同的原子類別，例如、、的質子數皆為6，彼此互為同位素，而、、的質量數皆為40，互為同量素。至於核種一詞則可用於稱呼任何原子核構造或所處能態不同的原子種類，如質子數或中子數不同的原子，皆視為不同的核種。然而，由於同位素一詞在學界中使用歷史較為悠久，比核種一詞更廣為人知，如今在核技術和核醫學等許多領域中仍常用「同位素」指代任何具有特定質子數及中子數的原子種類，儘管在概念及語意上使用「核種」更為合適。命名法及符號.同位素/核種的名稱通常以其所屬元素加上其質量數來表示，例如氦-3、氦-4、碳-12、碳-14、鈾-235、鈾-238等。當使用化學符號表示同位素時，通常使用formula_1的形式，其中E為該同位素所屬元素的化學符號等。穩定性.每一種元素都有著多種同位素，由於原子核中不同數目的質子和中子的組合會影響其穩定性，因此每種同位素的核穩定性各不相同。目前已知的大多數同位素原子核皆不穩定，具有放射性，會自發性地放出遊離輻射並衰變成其他核種，稱為放射性同位素，例如氚、碳-14、鉀-40、鈷-60和碘-131等。若某元素的所有同位素都具有放射性，則該元素會被稱為放射性元素，如鈾、鐳和氡等。每種放射性同位素的核穩定性各不相同，因此發生衰變的半衰期也有長有短，原子核越不穩定的同位素半衰期越短，放射性越強。目前已發現的放射性同位素超過3000種，其中大部分不存在於自然界，只能藉由人工合成的方式生成，稱為人造放射性同位素。至於天然存在的放射性同位素則包括半衰期極長的、原始放射性核種衰變生成的次生天然放射性核種以及天然核反應產生的及放射性核種。原子核穩定、不會發生放射性衰變的同位素則稱為穩定同位素，共有251種，皆自然存在於地球上。原子序小於83雖然有著穩定同位素，但其豐度最高的同位素卻是壽命極長的放射性同位素。理論計算顯示，許多表面上為“穩定”的同位素實際上應具有放射性，但半衰期極長。理論上，一些穩定的同位素在能量上容易受到一些已知衰變形式的影響，例如α衰變或雙β衰變，然而目前尚未觀察到任何它們發生衰變的現象，​​因此這些同位素被認為是“觀測上穩定”的同位素。這些同位素的預測半衰期往往遠超宇宙的估計年齡。質子數的奇偶性.質子數為偶數是唯一一個只有1種穩定同位素的偶數質子數目，故鈹是所有單一同位素元素中唯一原子序數為偶數的元素。質子數&lt;83且為奇數的同位素中所含的穩定核種數量大多隻有1種，且最多不超過2種，故大多數原子序數&lt;83且為奇數的元素都是單一同位素元素。沒有穩定核種的質子數目為43以上的數目。至於沒有穩定核種的中子數目包括19、21、35、39、45、61、89、115、123和127以上的數目。存在及地球上大約有339種自然存在的同位素，分屬於94種化學元素，其中有251種為穩定同位素，其餘則是不穩定的放射性同位素。在這339種天然同位素中，有286種是自太陽系形成以來便已經存在的。原始同位素包括251種穩定同位素，以及35種半衰期極長等。除了286種原始同位素外，自然界中還存在著50餘種半衰期較短的放射性同位素。這些壽命較短的天然放射性同位素中，氚、碳-14等質量數較小者大多是由宇宙射線散裂產生的，氡-222、釙-210和鐳-226等質量數超過200的同位素則大多是釷和鈾的衰變產物。還有約3000種放射性同位素不存在於現今的自然界中，只能藉由核反應爐和粒子加速器人工合成，這些人造同位素大多半衰期極短，即使在地球形成的初期曾經存在，也早已全部衰變殆盡。不過許多在地球上不天然存在的短壽命同位素卻可在宇宙的光譜中觀測到，它們是在恆星或超新星中自然產生的，例如在自然界中極為罕見，僅有宇宙射線作用產生的痕量存在，但其在宇宙中的含量卻達到天文規模。現時普遍接受的宇宙學理論認為只有幾種最輕元素的同位素。太陽系中不同行星的同位素組成略有不同。可依此追蹤隕石的起源。同位素與原子量.同位素的原子量決定，再根據原子核的結合能、質子和中子間質量的微小差異以及原子之電子質量做微調。質量數是無因次量，而原子量則是以碳-12的原子量作為基準計量的，單位為道爾頓。元素週期表中各元素的原子量是平均值，說明瞭自然界的元素存在多種質量不同的同位素。在發現同位素之前，元素的原子量是由科學家們憑實驗結果所估計，其非整數值讓當時的人們感到困惑。例如，氯樣品含有75.8%的氯-35和24.2%的，故自然界中氯元素的平均原子量為35.5原子質量單位。元素的是由該元素各天然同位素的豐度比例所決定。當一元素含有N個天然同位素時，其標準原子量以下式表示：formula_3其中"m"1、"m"2、...、"m""N"是該元素每個天然同位素的原子量，"x"1、...、"x""N"是這些同位素的相對豐度。例如碳元素有三種天然同位素：碳-12：12 × 98.93％ + 13.0034 × 1.07％ ＝ 12.01amu由於人造元素的同位素完全由人工合成產生，天然同位素的豐度對其沒有任何意義，故它們的標準原子量使用其最穩定的同位素之質量數來表示。歷史.放射性同位素.1912年，弗雷德裡克·索迪基於對放射性重元素衰變鏈的研究，首次提出同位素的存在。該研究發現，鉛和鈾之間存在著約40種核性質不同的放射性元素，但週期表中鉛和鈾之間只存在11個元素的位置。當時許多科學家嘗試使用化學方法分離鈾、釷等重元素衰變產生的新放射性元素，但都以失敗告終。1910年，索迪證明新釷這三種放射性元素是無法分離的。在嘗試將這些放射性元素放入元素週期表後，索迪和卡西米爾·法揚斯在1913年各自獨立提出了，其大意為：元素發生α衰變後會形成其在週期表中左側二格位置的元素，而β衰變則會產生其在週期表中右側一格位置的元素。索迪意識到，當元素先發射一個α粒子，接著發射兩個β粒子後，會導致形成一種化學性質與初始元素相同的元素，但其質量輕了四個單位，並且具有不同的核衰變性質。索迪提出，幾種放射性性質不同​​但化學性質相同的原子應可以填入週期表中的同一位置。例如，鈾-235 α衰變形成的釷-231和錒-230 β衰變形成的釷-230，儘管核衰變性質和半衰期不同，但應屬於同一元素。“同位素”一詞是索迪的世交、蘇格蘭醫生在一次談話中向他提出的，在希臘文中意為“在同一地點”。索迪因在同位素方面的研究成果而獲得1921年的諾貝爾化學獎。1914年，西奧多·理查茲發現來自不同礦物的鉛之原子量存在差異，這是由於三大衰變鏈的最終產物皆為鉛元素的不同同位素，礦物中放射性元素的組成不同會導致其所含鉛同位素的比例有所差異。穩定同位素.約瑟夫·湯姆森在1913年首次發現穩定元素存在同位素的證據。湯姆森透過平行的磁場和電場引導氖離子流，透過在路徑中放置感光底片來測量這些離子的偏轉，並使用下述方法計算它們的荷質比：每股離子流撞擊的地方都會在底片上形成一個發光的斑塊，湯姆森在感光底片上觀察到兩個獨立的拋物線光斑，這表明存在兩種荷質比不同的原子核。該方法後來被稱作湯姆森拋物線法。弗朗西斯·阿斯頓隨後使用質譜儀發現了許多元素的多種穩定同位素。1919年，阿斯頓以高研究氖，發現兩個氖同位素的質量非常接近整數20和22，且都不同於氖的已知莫耳質量20.2。這是的一個例子，該法則指出部分元素的莫耳質量與整數呈現較大偏差，主要是由於該元素是多種同位素的混合物所致。同樣地，阿斯頓在1920年證明氯的莫耳質量35.45是由兩種同位素和的近乎整數的原子量加權平均後得來。用途.同位素純化.核技術等領域需要使用到某些元素的特定同位素的特性，例如鈾或鈽等重元素的同位素。同位素分離是一項重大的技術挑戰。鋰、碳、氮和氧等較輕的元素通常是藉由其化合物等物理方法進行批次分離。