同位素

同位素（英文：isotope），是具有相同质子数、不同中子数或不同质量数的同一化学元素的不同核素的互称，在元素周期表中具有相同的原子序数和位置，如H、H、H（它们的质子数均为1，中子数分别为0、1、2）。同一种元素的所有组成核素互为同位素。同位素（包括放射性同位素）的化学性质几乎相同，但原子质量和物理性质不同。

同位素isotope，来自希腊语，isos意思是“相同”，topos表示“地方”。这个名称背后的含义就是同一个元素的不同核素处在元素周期表的同一位置。

放射性现象的发现和放射性元素的研究，开辟了核化学研究的新领域。1902年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）和弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）提出的元素嬗变理论打破了长期以来认为化学元素不变的旧观念。在研究放射性元素及其衰变产物时，发现某些放射性元素同周期表中某些元素的化学性质极其相似，甚至用任何化学方法都无法将它们分离。对此瑞典化学家斯特龙霍姆（D. Stromholm）和特奥多尔·斯韦德贝里（Theodor Svedberg）于1909年提出，这些化学性质十分相似的元素在周期表中应占据同一位置。1910年，索迪针对此现象提出了一个假说，化学元素存在着原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称为同位素。随后他将当时已发现的37种放射性元素根据其化学性质分为10类，分别放入周期表中的相应位置。索迪因对放射性物质和同位素的研究于1921年被授予诺贝尔化学奖。

弗雷德里克·索迪

1912年，约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）利用磁场作用来测定氖[nǎi]的荷质比时，发现氖有两种同位素，其原子量分别为20和22，这是第一次发现稳定的同位素。之后汤姆逊利用质谱仪从其他70多种元素中发现了200多种同位素。为了进一步研究各种元素的同位素，J.J.汤姆孙的学生弗朗西斯·阿斯顿（Francis William Aston）于1919年发明了质谱仪，它利用电场和磁场的作用，可以把不同原子量的同位素区分开来，并测定其原子量和丰度（相对含量）。借助质谱仪，到1922年阿斯顿已研究了30多种元素，发现它们大多数都是由两种以上同位素组成的混合物，并由此发现了元素原子量的整数规则，阿斯顿也由此获得1922年的诺贝尔化学奖。经过几年的努力，运用不断被改进而日益精确的质谱仪，阿斯顿在71种元素中发现了202种同位素，原子量的整数规则更清楚了。哈罗德·克莱顿·尤里（Harold Clayton Urey）一直致力于寻找氢的同位素，他设法使液态氢在低温下气化，使不能气化部分的重氢得以浓缩，终于使他于1931年获得了重氢的样品，光谱分析证明了重氢的存在。进一步的研究使他认识到重氢的某些性质明显地不同于普通氢，他建议将重氢命名为氘[dāo]，原子量为2。后来又发现原子量为3的氢同位素，并将其命名为氚[chuān]。尤里因发现重氢获得1934年诺贝尔化学奖。1932年查德威克（Chadwick）发现中子，由此认识到原子核由中子和质子组成，同位素就是一种元素的质子数相同而中子数不同的几种原子。由于质子数相同，同位素核电荷和核外电子数相同，并具有相同电子层结构。因此，同位素的化学性质基本相同，但由于它们的中子数不同，不同同位素的原子质量有所不同，原子核的某些物理性质（如放射性等）也不尽相同。1933年，G.N.路易斯（G. N. Lewis）等用电解法制得纯重水。乔治·查尔斯·德海韦西（George Charles de Hevesy）在卢瑟福领导的曼彻斯特研究所工作时，利用放射性元素和它的同位素之间的化学一致性，设计出一个精巧的方法，用放射性同位素作为示踪原子，运用灵敏的测定放射性的仪器来追踪其在化学过程中的踪迹。赫韦希将此方法用于研究生物学过程的机理，使生理化学研究发生了一场革命；而将它用于有机化学研究，可以阐明反应过程，具有十分重要的意义。因此，赫韦希获得了1943年诺贝尔化学奖。1942年，美国建造了电磁分离器并分离出铀[yóu]-235；1943年，美国又建立了三座六氟化铀气体扩散工厂生产铀-235；1944年，美国橡树岭国家实验室首先生产了千克量的铀-235，并制造了第一颗原子弹。威拉得·弗兰克·利比（Willard Frank Libby）在卢瑟福用岩石中积累的放射性衰变产物来确定岩石年龄的建议启发下，寻找到“C纪年测定法”。1950年利比用该技术测得的金字塔建造年代，和历史文献记载的年代相符。1951年他又测定了1000个考古样品，同样获得成功。此后这一方法除了应用于考古文物的年代鉴定外，还应用于地质学，海洋学及地球物理学方面的时间测定。由于这一重要成就，利比荣获1960年诺贝尔化学奖。截至2021年，在已经发现的约118种元素中，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物。截至2021年，所发现的天然同位素339种，其中稳定同位素有288种，放射性同位素51种，而人工合成的同位素逾三千种，均为放射性同位素。

决定元素化学性质的是质子数（或核外电子结构），而不是原子质量数。同位素核内质子数相同，因此几乎所有同位素（包括放射性同位素）的化学性质基本一致，故其生物化学性质、生物学性质也基本一致。

同位素原子核内中子数不同，致使其原子量及物理性质有所不同。同位素的热力性质存在差异；不同同位素形成的物质的黏度、磁导率、介电常数及偶极矩等物理性质也不相同；同位素的光谱位移也是由原子核质量不同引起的。

放射性同位素的原子核不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素的过程称为“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等，但并不一定能同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力，电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。半衰期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。半衰期是放射性同位素的一个特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，其衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。

• 平均结合能

原子核的稳定性与原子核的平均结合能有密切关系。平均结合能越高，核就越稳定。从下图中可以看出，原子核的稳定性随质子数和中子数的变化出现周期性的变化规律。

原子核的质量数与每个核子结合能的关系

• 质子和中子的比例

在大部分常见的轻元素中质子数和中子数是相等的，如

，

。另外，单质子结构元素也是稳定的（如H）。随着质量数的增加，稳定核素的中子数比质子数增加得快。这是因为质子带电，要使带电的质子结合在一起，核力必须要克服库仑斥力，所以需要更多的中子。在重元素中，中子数要远远超过质子数，比如，

的中子数为146，而质子数仅为92，但它却是最重的稳定元素。对于部分轻元素，中子数少量过剩可能是稳定的，如

；但对于其他元素，过剩的中子或质子会引起不稳定，如

和

。

• 偶-奇规则

另外，稳定的核素具有偶-奇规则。一般具有偶数个质子和（或）中子数的原子核是较稳定的。在经过统计的274个稳定核素中，165个核素具有偶数个质子（Z）和偶数个中子（N），53个具有偶数个质子和奇数个中子，50个有奇数个质子和偶数个中子，仅6个稳定核素具有奇数个质子和奇数个中子。也就是说，同时具有奇数个质子和奇数个中子的稳定核素是罕见的。进一步研究还发现，具有某些数目的质子和中子的核素异常稳定，并且有较大的丰度，这些数目被称为幻数（magic number）。它们是2，8，10，14，20，28，50，82和126。例如，Ca的质子数是20，有5个稳定的同位素Ca，Ca，Ca，Ca和Ca。它们都有偶数个中子。Ca的质子和中子数都是幻数，它的同位素丰度是96.94%。

稳定核素的偶-奇分布

• 能量水平

大多数核素是不稳定的，这些不稳定的核素会自发地向其他核素衰变。下图是核素的稳定带。如果把它想象成一个三维结构，那么这个核素的稳定带就表示一个能量域。这个稳定带之外的所有核素都具有高的能量，不稳定。如果将不稳定的核素看做是不稳定的原子，这些原子是处于高能态位置。处于激发态的原子就会自发地向低能量级转变并以光或光子的形式将能量释放出来，直到成为稳定的核素，放射性衰变才会结束。在同位素地球化学中，放射性同位素被称为亲本（parent），由衰变而形成的核素称子代（daughter）。由放射性同位素衰变形成的稳定同位素产物，称为放射性成因同位素（radiogenic isotope）。

核素的稳定带

原子核由质子和中子构成。质子数（Z）与中子数（N）之和是原子核的质量数（A），即A=Z+N。同位素的许多重要性质取决于其质量。质量数（A）约等于所谓的原子质量单位（amu）尺度上测量的质量。同位素的实际测量质量和A之间的数值差异称为质量过剩或质量缺陷（符号Δ）。电荷数Z和质量数A是标志原子核特征的两个重要物理量。A为奇数的原子核是自旋为半整数的费米子，服从费米-狄拉克统计规律；A为偶数的原子核是自旋为整数的玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计规律。对于轻核，中子数和质子数近乎相等；对于重核，中子数约为质子数的1.5倍，这是由核子之间作用力的性质所决定的。原子核的质量与原子的质量（包括原子核的质量和核外各电子的质量）相差极小，因此常用原子的质量来表示相应原子核的质量。在原子核物理中，通常情况下，不用国际单位制中的千克去度量原子核的质量，而是采用特殊的“原子质量单位”。规定碳的同位素

处于基态时的静止质量的1/12作为一个“原子质量单位”，以u表示，即

或按照爱因斯坦质能关系表示，即

式中1MeV=1×10eV，1eV=1.60217733×10J。原子的质量以“原子质量单位”计量时都接近于某一个整数，这个整数就是该原子的原子核质量数A。中子的质量为m_n=1.008664904 u。要说明的是，原子质量M（Z，A）与原子核质量m（Z，A）是不同的。主要是相差了核外的电子质量以及与原子结合能B_e（Z）对应的质量，即

。例如，对于氢原子，我们有

，则

。

质子数（Z）与中子数（N）之和是原子核的质量数（A），即A=Z十N。将具有特定核结构的原子称为核素，用符号

来表示，其中X为代表原子所属的化学元素。因为一种元素的化学性质主要取决于原子中的电子数，所以原子序数Z就表示了该元素的特性。因此单独用X就可以表示一种元素。

同位素比值（R）是指某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比。例如，O与O的比值大约为0.00204。同位素分馏效应使含氧化合物的这个比值发生微小的改变，但仅限于小数点的第五位或第六位，所以采用R值的表达很不方便。另外，测量绝对的同位素比值或丰度并非易事，需要相当精密的质谱仪。而且这种绝对值的测定结果在不同实验室数据对比方面会出现许多问题。通常，研究者所关注的是对比稳定同位素浓度的变化，而不是实际的丰度值。因此，可以采用更为简单易行的方法来研究同位素含量的变化。在实际工作中，通常采用样品的δ值来表示样品的同位素组成。

δ值是指样品的同位素比值（R_A）相对于标准样的同位素比值（R_r）的千分偏差，记为

以氧同位素为例，

当δ值为正时，表明样品比标准样富集重同位素；当δ值为负时，表明样品比标准样富集轻同位素。样品的δ值可通过质谱仪直接测得。只是样品的δ值与所选用的标准样有关，根据国际上的规定，实验室给出的δ值必须采用统一的国际标准。

同位素可以自然产生，也可以人工生产。天然同位素的产生主要有三类：其一是自太阳系诞生以来便存在的原始核素（包括所有稳定核素和一些半衰期极长的放射性核素），在地球形成和演化的过程中，元素通过核反应和聚合过程形成。在大爆炸后的高温环境下，中子与质子结合形成了各种元素，其中一些元素由于中子数量的不同而产生了同位素。其二是放射性核素衰产生新的核素。其三是宇宙射线与大气、海洋和陆地等的核素原子核相互作用产生的宇生放射性核素。人工放射性同位素制备大体有三种方法：在核反应堆中生产，用于制备丰中子同位素，简称堆照同位素；用带电粒子加速器制备，多用于贫中子同位素生产，简称加速器同位素；从核燃料后处理料液中分离提取同位素，这种同位素通常称为裂片同位素。放射性同位素的生产涉及到几个相互关联的活动，包括靶的制作、靶的辐照、运输辐照靶至处理设施、在密封源中进行放射化学处理或封装、质量控制、运输至终端用户。在反应堆中的放射性同位素生产是基于靶材料里的中子俘获，通过用热中子轰击来激发或产生来自靶材料裂变的放射性同位素。全世界80%的诊断医学扫描都依赖于放射性同位素钼[mù]-99及其子体产物锝[dé]-99m，目前这两种物质仅能在研究堆中生产。

同位素分离和富集是指利用同位素效应将特定的同位素进行分离、浓缩，或把其中某种同位素的浓度相对提高的过程。同位素的物理化学性能虽极为相似，但核性质却截然不同，在核工业和其他科学研究领域内各有其特殊用途，故需对同一元素中不同的同位素进行分离和富集。同位素分离和富集的方法很多，例如轻同位素氢、氘；Li、Li和B、B等，由于相对质量差较大，可采用蒸馏法、同位素交换法、电解法等；而重同位素如U、U则由于相对质量差小，可采用气体扩散法、离心法、化学法、激光分离法等进行分离。

由不同的同位素组成的分子之间存在相对质量差，这种质量差异所引起的该分子在物理和化学性质上的差异，称之为同位素效应（Isotope Effect）。经典化学理论认为，元素的电子结构基本上决定了元素的化学性质，原子核的结构则在某种程度上决定了元素的物理性质。由于某种特定元素的所有同位素具有相同的电子数和电子结构，因此可推断它们具有极为相似的物理和化学性质。

H₂O，D₂O及H₂O的若干物理性质特征值

自从尤里等首次发现氢同位素以来，人们已通过统计力学的方法和实验方法确定了H、C、N、O、S以及其他元素的不同同位素之间微小的化学性质的差异。也正是同位素之间化学性质的差异导致了化学反应中明显的同位素效应。

同位素分为放射性同位素和稳定性同位素两种，前者具有放射性，其原子核会自发地发射α、β、γ等射线或粒子，同时自身发生变化；后者的原子核不会自发地发生衰变。氧-16、氧-17和氧-18是氧元素的三个同位素，氕[piē]（H）、氘（D，H）和氚（T，H）是氢元素的三个同位素，铀-235和铀-238是铀元素的两个天然同位素。

原子核不自发地发生衰变的同位素。1913年汤姆逊（Thom-son）发现了氖的两个稳定同位素氖-20和氖-22。之后利用质谱仪从其他70多种元素中发现了200多种同位素。到截至2021年，在已发现的约118种元素中，只有20种元素未发现稳定的同位素。大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物。截至2021年，所发现的稳定同位素均为天然同位素，在所有的339种天然同位素中，稳定同位素占288种。

具有放射性的同位素，其原子核会自发地发射α、β、γ等射线或粒子，同时自身发生变化，放出射线后生成的新核素。放射性同位素包括有天然存在的天然放射性同位素和人工制造的人工放射性同位素两种。反应堆和加速器是放射性同位素制备的主要方式。核反应堆主要生产丰中子同位素，带电粒子加速器则主要生产缺中子同位素，另外，乏燃料后处理过程中可分离提取裂变产物中的同位素。

常用的放射性同位素

基于同位素效应特性，同位素广泛应用于医学、工业、农业、资源、环境、军事和科学研究等各个领域。在很多应用场合，放射性同位素技术尚无可替代方法；同时在很多其他应用场合，它要比现有可替代的技术更有效和经济。

同位素的化学性质近似，是同位素示踪方法的依据。稳定同位素示踪技术与同位素分析技术都以同位素的质量差异为目标，分离方法和分析方法取得了较大突破，氢、氮、碳、氧、硫等轻元素的稳定同位素则广泛作为示踪原子，用于研究化学和生物化学的各种过程和机制，以及分子的微观结构与性质的关系等重要问题。相对于放射性同位素示踪技术，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到一定的限制。

医学领域是放射性同位素应用的最重要领域。在医学上放射性同位素主要用于诊断和治疗，另外还包括医疗用品消毒、药物作用机制研究和生物医学研究。核素显像诊断包括γ相机、单光子发射计算机断层扫描成像（SPECT）、正电子发射断层扫描成像（PET）。放射免疫分析方法在体外对患者体液中生物活性物质进行微量分析，能够快速有效地进行疾病的体外诊断核素治疗包括开放性放射性核素和密封放射性核素两类，前者如甲亢和甲癌治疗用的碘-131，后者如腔内近距离后装照射（银-192）、放射性核素微粒肿瘤组织间定向植入的短程照射和介入照射等，以及远距离的钻-60照射等。放射免疫的靶向治疗、受体介导的靶向治疗、放射性核素基因治疗的研究等颇受重视。放射性同位素标记和示踪技术是目前从细胞水平进入到分子水平，对活体显示人体结构和病理变化的唯一方法，是基因、核酸、蛋白质、疾病发病机制与正确诊断研究的重要方法。

放射性同位素在工业上有着广泛应用，放射性同位素仪表即核仪表如料位计、密度计、测厚仪、核子秤、水分计、γ射线探伤机、集装箱检测和离子感烟火灾报警器等可用来监控生产流程，实现无损检测，成分分析，以及探知火情等。放射性同位素探测技术广泛用于石油、化工、冶金、水利水文等部门，并取得显著的经济效益。辐射加工技术在交联线缆、热缩材料、表面固化、医疗用品消毒以及食品辐照保藏等领域普遍使用并形成产业规模。利用放射性同位素的衰变能可以制造同位素电池，可作为深空探索的电源。

放射性同位素在农业上同样有着广泛应用，辐射突变育种成就突出，特别是粮、棉、油等作物辐照新品种培育及推广取得了显著的经济效益。放射性同位素示踪在农业中也有多方面的应用，如肥料与农药的效用和机制、有害物质的分解与残留探测、畜牧兽医研究和生物固氮、家畜疾病诊断及其妊娠预测研究等；也常用到堤坝和水库泄漏的检测等。通过辐射可致昆虫不育，使昆虫丧失生殖能力，达到防治甚至根除害虫的目的。食品辐照可控制微生物引起的食品腐败和食源性疾病的传播。

地球化学领域，在放射性衰变定律和核反应理论基础上，通过自然界放射性同位素组成的测定和研究，创立了放射性同位素定年技术方法，使地质学家能够准确地确定岩石形成年龄，了解地球发展和演化的时间顺序，并不断改进已有定年方法及补充新的地质时钟，开辟了追索和辨识地质体的物质来源、形成过程和机制的有效途径。还可以提供成岩、成矿作用的多方面信息，为探索矿床成矿物质来源、成因及形成机制提供依据。

核工业领域中，可以用作能源的核反应有两类：重元素（铀、钍[tǔ]、钚）原子核的裂变反应；轻元素（氘、氚）原子核的聚变反应。核能是原子核结构变化而释放出来的能量。由于核子（中子和质子）之间结合紧密程度远大于原子之间的结合程度，因此，核反应释放出的能量要比化学反应大几百万倍。聚变反应释放巨大能量已应用于氢弹。和平利用的可控聚变反应堆正在世界范围内开发研究，目前尚未达到可以应用的程度，据预计，大约要到21世纪50年之后才有可能工业规模应用，例如，把海水中蕴藏的氘利用起来，通过聚变反应堆为人类提供核能源。2023年6月，全球最新、规模最大的核聚变反应堆JT-60SA成功点火，离商业化运营更近了一步。裂变能除首先应用于制造原子弹之外，可控链式裂变反应用作民用能源，从1954 年苏联建成运行电功率为5MW的奥布宁斯克实验性核电站以来，已在世界各国推广应用，并在若干国家成为主要能源。

同位素丰度又称同位素相对丰度，其定义为自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含量（以原子百分计）。地球上元素的同位素丰度只是指它们在地壳中的含量，例如，氧的同位素丰度：O=99.76%，O=0.04%，O=0.20%。一般在低原子序数（Z<28）的元素中，只有一种同位素（多数为轻同位素）的丰度最大，其余同位素的丰度较小。在高原子序数（Z>28）的元素中，各种同位素的丰度分布趋于相近。丰度最大的同位素是质子数与中子数均为偶数的偶核对应的同位素。地球和陨石物质90%以上是由Z为偶数的元素构成，地壳中分布最广的稳定同位素是偶Z和偶N的同位素。中子或质子数为2、8、20、28、50、82和126等幻数原子核具有特殊的稳定性和较大的丰度。同位素丰度与原子核的稳定性有关。同位素丰度通常只包含稳定同位素，如氢元素有99.9885%的氢-1和0.0115%的氢-2，合起来100%，不包含放射性同位素氢-3。如果不稳定同位素的半衰期足够长，则也可能提供其丰度，如钾-40（半衰期将近13亿年）的丰度为0.0117%。地壳元素中同位素的丰度通常是一定的，但是由于成因的不同（放射性衰变的存在），丰度可能会有变化。例如，富含铀-238的矿物中铅-206的丰度比较大，而铅-208丰度比较大的通常出现在富集钍-232的矿物中。此外，也可以人为地改变同位素的丰度，比如同位素分离。普通铀矿中铀-235的丰度一般为0.7%，核能发电中常用铀-235的丰度大约为3%，而核弹中铀-235的丰度高达90%以上。同位素丰度的测定采用质谱仪。在自然界中，同位素的相对浓度是变化的。这种现象的存在有两个原因：（1）同位素元素的化学和物理性质并不完全相同，导致含有同位素的分子的化学和物理性质有微小区别，最终导致同位素丰度不同；（2）如果同位素是放射性的，则在放射性衰变过程中同位素分子的浓度逐渐减少，这会使同位素浓度差比第1种原因中所提到的那种情况更大。

同位素的丰度

原子核内基本粒子的组成与数量对核素性质及其应用有决定性作用，故根据原子核内基本粒子不同方式组合，不同类型但有一定“相似性”的原子有单独的称谓。

核素（nuclide）是具有一定数量质子、中子、核电荷、质量、能态，平均寿命足以被观察到的同类原子的统称。核素的内涵与元素、同位素有交叉，一般元素或同位素包括同一基本属性的所有核素，核素只是其中一种类型的原子。如碳-11、碳-13和碳-14与日常生活中的碳-12具有同样数目的质子（6个），均属于碳元素，但却是4种不同的核素，互称为碳的同位素。

同质异能素（isomer）原子序数和质量数相同，但处于不同核能态的核素。通常在核素化学符号右上角加“m”表达，如In是In的同质异能素。在核医学实践中，为了方便，通常将“m”直接写在原子质量数后，如Tc.同质异能素是放射性核素的一种特殊存在方式。与其他放射性核素不同，同质异能素原子核内一个或几个基本粒子处于高能激发状态，这种激发状态的能量源于其他形式的衰变或核反应，受与基态时核内粒子自旋方面差异的影响，受激原子不能立即将多余能量直接释出，而是保持一段时间，再以γ射线形式释出多余能量，或通过同质异能跃迁方式，将激发能量转移给内层轨道电子，使电子退激能量脱离原子，称为内转换电子（internal conversi-on electron）。

同中素（isotone）：又称同中子异位素、同中子异荷素，即中子数相同、质子数不同的一类核素。

同量异位素（isobar）：即质子数、中子数不同，但原子质量数相同的一类核素。

展开[a]半衰期（Half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如磷-32的半衰期是14.3天，也就是说，假使原来有100万个磷-32原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。

[b]乏燃料，是经受过辐射照射、使用过的核燃料。

[c]幻数是指原子核中质子数和中子数的某个特定数值，当质子数或中子数为幻数，或者二者取值均为幻数时，原子核显示出很高的稳定性。

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