同位素

定義

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同核素互稱(chēng)為同位素。

例如：氫有三種同位素，氕（H）、氘（D，重氫）、氚（T，超重氫）；碳有多種同位素，12C、13C和 14C（有放射性）等。

同位素具有相同原子序數(shù)的同一化學(xué)元素的兩種或多種原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化學(xué)性質(zhì)幾乎相同（氕、氘和氚的性質(zhì)有些微差異），但原子質(zhì)量或質(zhì)量數(shù)不同，從而其質(zhì)譜性質(zhì)、放射性轉(zhuǎn)變和物理性質(zhì)（例如在氣態(tài)下的擴(kuò)散本領(lǐng)）有所差異。同位素的表示是在該元素符號(hào)的左上角注明質(zhì)量數(shù)（例如碳-14，一般用14C來(lái)表示）。

在自然界中天然存在的同位素稱(chēng)為天然同位素，人工合成的同位素稱(chēng)為人造同位素。如果該同位素是有放射性的話，會(huì)被稱(chēng)為放射性同位素。有些放射性同位素是自然界中存在的，有些則是用核粒子，如質(zhì)子、α粒子或中子轟擊穩(wěn)定的核而人為產(chǎn)生的。

基本性質(zhì)

同位素是具有相同原子序數(shù)的同一化學(xué)元素的兩種或多種原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化學(xué)行為幾乎相同，但原子量或質(zhì)量數(shù)不同，從而其質(zhì)譜行為、放射性轉(zhuǎn)變和物理性質(zhì)（例如在氣態(tài)下的擴(kuò)散本領(lǐng)）有所差異。同位素的表示是在該元素符號(hào)的左上角注明質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)），左下角注明質(zhì)子數(shù)。 例如碳-14，一般用14C而不用C-14。

自然界中許多元素都有同位素。同位素有的是天然存在的，有的是人工制造的，有的有放射性，有的沒(méi)有放射性。

同一元素的同位素雖然質(zhì)量數(shù)不同，但它們的化學(xué)性質(zhì)基本相同（如化學(xué)反應(yīng)和離子的形成），物理性質(zhì)有差異[主要表現(xiàn)在質(zhì)量上（如：熔點(diǎn)和沸點(diǎn)）]。自然界中，各種同位素的原子個(gè)數(shù)百分比一定。

同位素是指具有相同核電荷但不同原子質(zhì)量的原子（核素）。在19世紀(jì)末先發(fā)現(xiàn)了放射性同位素，隨后又發(fā)現(xiàn)了天然存在的穩(wěn)定同位素，并測(cè)定了同位素的豐度。大多數(shù)天然元素都存在幾種穩(wěn)定的同位素。同種元素的各種同位素質(zhì)量不同，但化學(xué)性質(zhì)幾乎相同。

自19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)了放射性以后，到20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)的放射性元素已有30多種，而且證明，有些放射性元素雖然放射性顯著不同，但化學(xué)性質(zhì)卻完全一樣。

研究

1910年英國(guó)化學(xué)家索迪提出了一個(gè)假說(shuō)，化學(xué)元素存在著相對(duì)原子質(zhì)量和放射性不同而其他物理化學(xué)性質(zhì)相同的變種，這些變種應(yīng)處于周期表的同一位置上，稱(chēng)做同位素。不久，就從不同放射性元素（鈾和釷等）得到一種鉛的相對(duì)原子質(zhì)量是206.08，另一種則是208。1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜（約瑟夫.約翰.湯姆遜）發(fā)現(xiàn)了電子，1912年他改進(jìn)了測(cè)電子的儀器，利用磁場(chǎng)作用，制成了一種磁分離器（質(zhì)譜儀的前身）。當(dāng)他用氖氣進(jìn)行測(cè)定時(shí)，無(wú)論氖怎樣提純，在屏上得到的卻是兩條拋物線，一條代表相對(duì)原子質(zhì)量為20的氖，另一條則代表相對(duì)原子質(zhì)量為22的氖。這就是第一次發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素，即無(wú)放射性的同位素。當(dāng)阿斯頓制成第一臺(tái)質(zhì)譜儀后，進(jìn)一步證明，氖確實(shí)具有原子質(zhì)量不同的兩種同位素，并從其他70多種元素中發(fā)現(xiàn)了200多種同位素。

到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的元素有109種，只有20種元素未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多數(shù)的天然元素都是由幾種同位素組成的混合物，穩(wěn)定同位素約有300多種，而放射性同位素竟達(dá)約2800種以上。

1932年提出原子核的中子-質(zhì)子理論以后，才進(jìn)一步弄清，同位素就是一種元素存在著質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的幾種原子。由于質(zhì)子數(shù)相同，所以它們的核電荷和核外電子數(shù)都是相同的（質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=核外電子數(shù)），并具有相同電子層結(jié)構(gòu)。因此，同位素的化學(xué)性質(zhì)是相同的，但由于它們的中子數(shù)不同，這就造成了各原子質(zhì)量會(huì)有所不同，涉及原子核的某些物理性質(zhì)（如放射性等），也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)子數(shù)為偶數(shù)的元素，可有較多的穩(wěn)定同位素，而且通常不少于3個(gè)，而質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的元素，一般只有一個(gè)穩(wěn)定核素，其穩(wěn)定同位素從不會(huì)多于兩個(gè)，這是由核子的結(jié)合能所決定的。

發(fā)現(xiàn)意義

同位素的發(fā)現(xiàn)，使人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更深一步。這不僅使元素概念有了新的含義，而且使相對(duì)原子質(zhì)量的基準(zhǔn)也發(fā)生了重大的變革，再一次證明了決定元素化學(xué)性質(zhì)的是質(zhì)子數(shù)（核電荷數(shù)），而不是原子質(zhì)量數(shù)。

開(kāi)發(fā)應(yīng)用

綜述

許多同位素有重要的用途，例如12C是作為確定原子量標(biāo)準(zhǔn)的原子； 兩種H原子是制造氫彈的材料； 235U是制造原子彈的材料和核反應(yīng)堆的原料。同位素示蹤法廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究（如國(guó)防）、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療技術(shù)方面，例如用O標(biāo)記化合物確證了酯化反應(yīng)的歷程。

2022年10月，中核秦山同位素生產(chǎn)基地建設(shè)項(xiàng)目在浙江海鹽正式開(kāi)工建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)五條同位素生產(chǎn)線。

和平利用核能

和平利用核能的重要方面，也是核工業(yè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活服務(wù)的一個(gè)重要內(nèi)容。

1982年，核工業(yè)部成立了中國(guó)同位素公司，負(fù)責(zé)組織同位素生產(chǎn)、供應(yīng)和進(jìn)出口貿(mào)易。中國(guó)核學(xué)會(huì)成立了核農(nóng)學(xué)、核醫(yī)學(xué)、核能動(dòng)力、輻射工藝、同位素等19個(gè)分會(huì)。并多次召開(kāi)各有關(guān)專(zhuān)業(yè)會(huì)議，推廣核能、同位素和其他核技術(shù)的應(yīng)用。

我國(guó)同位素能生產(chǎn)的品種越來(lái)越多，包括放射性藥物、各種放射源、氫-3、碳-14等標(biāo)記化合物、放化制劑和放射免疫分析用的各種試劑盒和穩(wěn)定同位素及其標(biāo)記化合物等。同位素的生產(chǎn)單位中中國(guó)原子能科學(xué)研究院同位素的生產(chǎn)量，就占全國(guó)的總量的80%以上。我國(guó)同位素在國(guó)內(nèi)的用戶(hù)，由過(guò)去主要依靠進(jìn)口，逐步轉(zhuǎn)為大部分由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)自給。

隨著同位素生產(chǎn)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了同位素和其他核技術(shù)在許多部門(mén)的應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

農(nóng)業(yè)方面

農(nóng)業(yè)方面，采用輻射方法或輻射和其他方法相結(jié)合，培育出農(nóng)作物優(yōu)良品種，使糧食、棉花、大豆等農(nóng)作物都獲得了較大的增產(chǎn)。利用同位素示蹤技術(shù)研究農(nóng)藥和化肥的合理使用及土壤的改良等，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)提供了新的措施。其他如輻射保藏食品等研究工作，也取得了較大的進(jìn)展。

醫(yī)學(xué)方面

醫(yī)學(xué)方面，全國(guó)有上千家醫(yī)療單位，在臨床上已建立了百多項(xiàng)同位素治療方法，包括體外照射治療和體內(nèi)藥物照射治療。同位素在免疫學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳工程研究和發(fā)展基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)中，也發(fā)揮了重要作用。

已知同位素

氫（1H）：1H、2H、3H、4H、5H、6H、7H

氦（2He）：2He、3He、4He、5He、6He、7He、8He、9He、10He

鋰（3Li）3Li、4Li、5Li、6Li、7Li、8Li、9Li、10Li、10m1Li、10m2Li、11Li、12Li、13Li

鈹（4Be）：6Be、7Be、9Be、10Be、11Be、12Be、13Be、14Be、15Be、16Be、17Be

硼（5B）：7B、8B、9B、10B、11B、12B、13B、14B、15B、16B、17B、18B、19B

碳（6C）：8C、9C、10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C、17C、18C、19C、20C、21C、22C

氮（7N）：10N、11N、11mN、12N、13N、14N、15N、16N、17N、18N、19N、20N、21N、22N、23N、24N、25N

氧（8O）：12O、13O、14O、15O、16O、17O、18O、19O、20O、21O、22O、23O、24O、25O、26O、27O、28O

氟（9F）：14F、15F、16F、17F、18F、18mF、19F、20F、21F、22F、23F、24F、25F、26F、27F、28F、29F、30F、31F

氖（10Ne）：15Ne、16Ne、17Ne、18Ne、19Ne、20Ne、21Ne、22Ne、23Ne、24Ne、25Ne、26Ne、27Ne、28Ne、29Ne、30Ne、31Ne、32Ne、33Ne、34Ne

鈉（11Na）：18Na、19Na、20Na、21Na、22Na、22mNa、23Na、24Na、24mNa、25Na、26Na、27Na、28Na、29Na、30Na、31Na、32Na、33Na、34Na、35Na、36Na、37Na

鎂（12Mg）：19Mg、20Mg、21Mg、22Mg、23Mg、24Mg、25Mg、26Mg、27Mg、28Mg、29Mg、30Mg、31Mg、32Mg、33Mg、34Mg、35Mg、36Mg、37Mg、38Mg、39Mg、40Mg

鋁（13Al）：19Al、20Al、21Al、22Al、23Al、23mAl、24Al、24mAl、25Al、25mAl、26Al、26mAl、27Al、28Al、29Al、30Al、31Al、32Al、32mAl、33Al、34Al、35Al、36Al、37Al、38Al、39Al、40Al、41Al、42Al

硅（14Si）：22Si、23Si、24Si、25Si、26Si、27Si、28Si、29Si、30Si、31Si、32Si、33Si、34Si、35Si、36Si、37Si、38Si、39Si、40Si、41Si、42Si、43Si、44Si

磷（15P）：24P、25P、26P、27P、28P、29P、30P、31P、32P、33P、34P、35P、36P、37P、38P、39P、40P、41P、42P、43P、44P、45P、46P

硫（16S）：26S、27S、28S、29S、30S、31S、32S、33S、34S、35S、36S、37S、38S、39S、40S、41S、42S、43S、43mS、44S、45S、46S、47S、48S、49S

氯（17Cl）：28Cl、29Cl、30Cl、31Cl、32Cl、33Cl、34Cl、34mCl、35Cl、36Cl、37Cl、38Cl、38mCl、39Cl、40Cl、41Cl、42Cl、43Cl、44Cl、45Cl、46Cl、47Cl、48Cl、49Cl、50Cl、51Cl

氬（18Ar）：30Ar、31Ar、32Ar、32mAr、33Ar、34Ar、35Ar、36Ar、37Ar、38Ar、39Ar、40Ar、41Ar、42Ar、43Ar、44Ar、45Ar、46Ar、47Ar、48Ar、49Ar、50Ar、51Ar、52Ar、53Ar

鉀（19K）：32K、32mK、33K、34K、35K、36K、37K、38K、38m1K、38m2K、39K、40K、40mK、41K、42K、43K、44K、45K、46K、47K、48K、49K、50K、51K、52K、53K、54K、55K

鈣（20Ca）：34Ca、35Ca、36Ca、37Ca、38Ca、40Ca、41Ca、42Ca、43Ca、44Ca、45Ca、46Ca、47Ca、48Ca、49Ca、50Ca、51Ca、52Ca、53Ca、54Ca、55Ca、56Ca、57Ca、58Ca

鈧（21Sc）：35Sc、36Sc、37Sc、38Sc、38mSc、39Sc、40Sc、41Sc、42Sc、42mSc、43Sc、43m1Sc、43m2Sc、44Sc、44m1Sc、44m2Sc、44m3Sc、45Sc、45mSc、46Sc、46m1Sc、46m2Sc、47Sc、47mSc、48Sc、49Sc、50Sc、50mSc、51Sc、52Sc、53Sc、54Sc、54mSc、55Sc、56Sc、57Sc、58Sc、59Sc、60Sc、61Sc

鈦（22Ti）：38Ti、39Ti、40Ti、41Ti、42Ti、43Ti、43m1Ti、43m2Ti、44Ti、45Ti、46Ti、47Ti、48Ti、49Ti、50Ti、51Ti、52Ti、53Ti、54Ti、55Ti、56Ti、57Ti、58Ti、59Ti、60Ti、61Ti、62Ti、63Ti

釩（23V）：40V、41V、42V、43V、44V、44mV、45V、46V、46mV、47V、48V、49V、50V、51V、52V、53V、54V、54mV、55V、56V、57V、58V、59V、60V、60m1V、60m2V、61V、62V、63V、64V、65V

鉻（24Cr）：42Cr、43Cr、44Cr、45Cr、45mCr、46Cr、47Cr、48Cr、49Cr、50Cr、51Cr、52Cr、53Cr、54Cr、55Cr、56Cr、57Cr、58Cr、59Cr、59mCr、60Cr、61Cr、62Cr、63Cr、64Cr、65Cr、66Cr、67Cr

錳（25Mn）：44Mn、45Mn、46Mn、46mMn、47Mn、48Mn、49Mn、50Mn、50mMn、51Mn、52Mn、52mMn、53Mn、54Mn、55Mn、56Mn、57Mn、58Mn、58mMn、59Mn、60Mn、60mMn、61Mn、62Mn、62mMn、63Mn、64Mn、64mMn、65Mn、66Mn、67Mn、68Mn、69Mn

鐵（26Fe）：45Fe、46Fe、47Fe、48Fe、49Fe、50Fe、51Fe、52Fe、52mFe、53Fe、53mFe、54Fe、559Fe、56Fe、57Fe、58Fe、59Fe、60Fe、61Fe、61mFe、62Fe、63Fe、64Fe、65Fe、65mFe、66Fe、67Fe、67mFe、68Fe、69Fe、70Fe、71Fe、72Fe

鈷（27Co）：47Co、48Co、49Co、50Co、51Co、52Co、52mCo、53Co、53mCo、54Co、54mCo、55Co、56Co、57Co、58Co、58m1Co、58m2Co、59Co、60Co、60mCo、61Co、62Co、62mCo**、**63Co、63mCo、64Co、65Co、66Co、66m1Co、66m2Co、67Co、68Co、68mCo、69Co、70Co、70mCo、71Co、72Co、73Co、74Co、75Co

鎳（28Ni）：48Ni、49Ni、50Ni、51Ni、52Ni、53Ni、54Ni、55Ni、56Ni、57Ni、58Ni、59Ni、60Ni、61Ni、62Ni、63Ni、64Ni、65Ni、65mNi、66Ni、67Ni、67mNi、68Ni、68m1Ni、68m2Ni、69Ni、69m1Ni、69m2Ni、70Ni、70mNi、71Ni、72Ni、73Ni、74Ni、75Ni、76Ni、77Ni、78Ni

銅（29Cu）：52Cu、53Cu、54Cu、55Cu、56Cu、57Cu、58Cu、59Cu、60Cu、61Cu、62Cu、63Cu、64Cu、65Cu、66Cu、67Cu、68Cu、68mCu、69Cu、69mCu、70Cu、70m1Cu、70m2Cu、71Cu、71mCu、72Cu、72mCu、73Cu**、**73mCu、74Cu、75Cu、76Cu、76mCu、77Cu、78Cu、79Cu、80Cu

鋅（30Zn）：54Zn、55Zn、56Zn、57Zn、58Zn、59Zn、60Zn、61Zn、61m1Zn、61m2Zn、61m3Zn、62Zn、63Zn、64Zn**、**65Zn、65mZn、66Zn、67Zn、68Zn、69Zn、69mZn、69mZn、70Zn、71Zn、71mZn、72Zn、73Zn、73m1Zn、73m2Zn、74Zn、75Zn、76Zn、77Zn、77mZn、78Zn、78mZn、79Zn、80Zn、81Zn、82Zn、83Zn

鎵（31Ga）：56Ga、57Ga、58Ga、59Ga、60Ga、61Ga、62Ga、63Ga、64Ga、65Ga、66Ga、67Ga、68Ga、69Ga、70Ga、71Ga、72Ga、72mGa、73Ga、74Ga、74mGa、75Ga、76Ga、77Ga、78Ga、79Ga、80Ga、81Ga、82Ga、83Ga、83Ga、85Ga、86Ga

鍺（32Ge）：58Ge、59Ge、60Ge、61Ge、62Ge、63Ge、64Ge、65Ge、66Ge、67Ge、67m1Ge、67m2Ge、68Ge、69Ge、69m1Ge、69m2Ge、70Ge、71Ge、71mGe、72Ge、72mGe、73Ge、73m1Ge、73m2Ge、74Ge、75Ge、75m1Ge、75m2Ge、76Ge、77Ge、77mGe、78Ge、79Ge、79mGe、80Ge、81Ge、81mGe、82Ge、83Ge、84Ge、85Ge、86Ge、87Ge、88Ge、89Ge

砷（33As）：60As、61As、62As、63As、64As、65As、66As、66m1As、66m2As、