在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi),質(zhì)子數(shù)相同,中子數(shù)不同的這一類原子稱為同位素。會(huì)發(fā)生放射性衰變的同位素稱為放射性同位素。其核內(nèi)具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的原子稱為素。例如,氫同位素有三種核素:H、H、H,元素符號(hào)的左上角標(biāo)出原子質(zhì)量數(shù),它們分別被取名為氫、氘(音刀)、氚(音)。其中,H具有放射性,稱為放射性同位素。在自然界里,H、H同位素天然含量的原子數(shù)百分比分別為99.9852%、0.0148%,H幾乎為零。
同位素是同一元素的不同原子,其原子具有相同數(shù)目的質(zhì)子,但中子數(shù)目卻不同。例如:氕、氘和氚,它們?cè)雍酥卸加?個(gè)質(zhì)子,但是它們的原子核中卻分別有0個(gè)中子、1個(gè)中子及2個(gè)中子,所以它們互為同位素。其中,氕的相對(duì)原子質(zhì)量為1.007947,氘的相對(duì)原子質(zhì)量為2.274246,氚的相對(duì)原子質(zhì)量為3.023548,氘幾乎比氕重一倍,而氚則幾乎比氕重二倍。
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為天然同位素,人工合成的同位素稱為人造同位素。如果該同位素是有放射性的話,會(huì)被稱為放射性同位素。每一種元素都有放射性同位素。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、a粒子或中子轟擊穩(wěn)定的核而人為產(chǎn)生的。
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,但他們的化學(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。
核素是指具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子。很多元素有質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的幾種原子。例如,氫有1H、2H、3H 3種原子,就是3種核素,它們的原子核中分別有0、1、2個(gè)中子。這3種核素互稱為同位素。例如,原子核里有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子的碳原子,質(zhì)量數(shù)是12,稱為碳-12核素,或?qū)懗?2C核素。原子核里有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子的碳原子,質(zhì)量數(shù)為13,稱13C核素。氧元素有16O,17O,18O三種核素。具有多種核素的元素稱多核素元素。自然界僅有一種核素存在的元素稱為單核素元素,如鈹、氟、鋁、鈉等20種元素。
質(zhì)子數(shù)為偶數(shù)的元素,可有較多的穩(wěn)定核素,一般不少于3種,而質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的元素,通常只有一個(gè)穩(wěn)定核素,一般不會(huì)多于兩種,這是由核子的結(jié)合能所決定的。多核素元素中各核素互稱同位素,因?yàn)樗鼈兲幱谥芷诒碇型晃恢蒙希瘜W(xué)性質(zhì)基本相同,但核性質(zhì)不同;單核素元素沒(méi)有同位素。核素的質(zhì)量即原子質(zhì)量,總小于孤立質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量總和,在概念上也不等于質(zhì)量數(shù),在數(shù)值上除12C外均與質(zhì)量數(shù)稍有不同。核素的質(zhì)量是用質(zhì)譜儀測(cè)定的,這種測(cè)定很先進(jìn),可測(cè)得7位或更多位有效數(shù)字。
核素概念最初是為了確切描述元素的原子量而引入的。最初的化學(xué)原子概念是元素原子,即同一種元素對(duì)應(yīng)有同一種原子,因此某種元素的原子量被規(guī)定為該元素原子的相對(duì)質(zhì)量。同位素的發(fā)現(xiàn)揭示出元素并不是化學(xué)性質(zhì)和量完全相同的一類原子,同一種元素的原子其質(zhì)量可以不同,因而元素原子量所反映的是各種同位素原子質(zhì)量的平均值。原子物理學(xué)的研究進(jìn)一步表明,原子的質(zhì)量主要是由構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子的數(shù)目決定的,而元素的化學(xué)性質(zhì)只同質(zhì)子數(shù)有關(guān)。
為了進(jìn)一步區(qū)分元素的同位素,科學(xué)家們引進(jìn)了同位素的質(zhì)量數(shù),即質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。從元素的化學(xué)性質(zhì)看,不同的同位素在元素周期表上處于同一位置,故稱“同位素”,而從原子核的角度看,同位素又是同一種元素的質(zhì)量不同的原子核,也稱為核素。這時(shí),核素只不過(guò)是同位素的別稱。后來(lái)發(fā)現(xiàn)地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核異能態(tài)”的現(xiàn)象,即具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核所顯現(xiàn)出來(lái)的核性質(zhì),如衰變方式、半衰期、能量等等可以不同。同核異能態(tài)是原子核層次的“同分異構(gòu)體”,“同分”是指相同數(shù)目的質(zhì)子和中子,“異構(gòu)”則表示它們構(gòu)成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映這種“同分異構(gòu)”現(xiàn)象。如果把核素概念定義為同一同位素的核性質(zhì)不同的原子核,就可以概括核的同分異構(gòu)現(xiàn)象。因此,核素也就成了表達(dá)核性質(zhì)的獨(dú)立概念。