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同位素是指质子数(原子序数)相同但中子数不同、因而质量数不同的原子。由于是同一元素,其化学性质几乎相同,但由于质量不同,物理性质或放射性可能有所差异。
元素周期表上标示的原子量,是自然界中存在的各种同位素按其丰度加权平均后得出的数值。例如碳大部分以碳-12的形式存在,同时混有少量碳-13和极微量的碳-14,因此其平均原子量呈现为12.011这样的小数,而非整数。
部分同位素的原子核不稳定,会放出射线并逐渐衰变为其他元素,这类同位素被称为放射性同位素。半衰期是指放射性原子数量衰减到原来一半所需的时间,每种元素都有各自特定的数值。
大气中存在一定比例的放射性同位素碳-14,生物在存活期间会在体内维持恒定的碳-14含量。生物死亡后,碳-14会按照其半衰期(约5730年)逐渐减少,因此通过测定残留量,就可以推算出文物或化石的年代。
放射性同位素也被广泛应用于医学影像诊断和治疗。PET(正电子发射断层扫描)检查利用放射性同位素将体内的代谢活动可视化,部分放射性同位素还被直接用于破坏癌细胞的放射治疗中。
稳定同位素的原子核十分稳定,不会衰变,可永久存在;而放射性同位素则会随时间衰变为其他元素。例如氢除了稳定的氢-1、氢-2(氘)外,还有放射性的氢-3(氚)。
同位素通过在元素符号左上角标注质量数来区分,碳-14常写作¹⁴C,或在名称后加上质量数来称呼。仅凭这种表示方法,就能立即从元素符号得知质子数,并用质量数减去原子序数得知中子数。
元素周期表某一格中标注的原子量为何不是整数而是小数,古老化石的年代是如何测定出来的——这些疑问都可以用同位素的概念来解释。理解同一元素会因中子数不同而在质量或放射性上有所差异,有助于将化学、地球科学与医学中的多种现象联系起来理解。
如果说同位素关乎原子核(质子、中子)构成上的差异,那么原子如何与其他原子相连则取决于电子的行为,这是另一个值得了解的相关主题,涉及离子键、共价键和金属键的原理。
几乎相同。同位素的最外层电子数相同,参与化学反应的方式也相同,但由于质量不同,反应速率可能会有细微差异,沸点等物理性质也可能略有不同。
大多数元素天然就同时拥有稳定同位素和放射性同位素,或者可以人工制造出放射性同位素。不过部分原子序数极大的元素没有稳定同位素,其所有同位素都具有放射性。