同位素与同量异位素

同位素是指**原子序数相同但原子质量不同元素的原子或形式**。因此，它们含有相同数量的质子和电子，但中子数量不同。例如，碳-14、碳-13和碳-12是碳的同位素，因为C-14有8个中子，C-13有7个中子，C-12有6个中子，而它们都有相同的质子数6和相同的电子数6。

“同位素”一词由 Frederick Soddy 于 1913 年提出，由 Margaret Georgina Todd 建议。它源自两个希腊词“isos”和“topos”，意为“同一位置”。之所以选择这个词来形容同位素，是因为它们在元素周期表中占据相同的位置，尽管它们的原子质量不同。

元素周期表中的每个框实际上代表了一组同位素或具有相同化学名称和化学性质但原子质量不同的原子。因此，每种元素都有多个同位素，其中一种通常比其他同位素在自然界中更丰富，并且具有相同数量的质子和中子，例如 C-12 是碳最丰富的同位素，具有 6 个质子和 6 个中子。然而，氢（氕）最丰富的同位素是一个例外，它有一个质子但没有任何中子。

此外，**同位素具有几乎相同的化学性质**。但是，也有一些例外，例如氢的同位素，因为中子数量会显著影响氢原子核的大小。

同位素的物理性质不相同，因为物理性质取决于原子质量，而同位素的原子质量不同。因此，同位素通常在熔点、沸点、密度、凝固点等方面有所不同。这种物理性质的差异有助于通过分馏和扩散来分离元素的同位素。

同位素符号 I 如何表示同位素？

同位素主要有两种不同的表示方法，如下所示：

• 首先写出元素的名称或符号，后面跟一个连字符和其同位素的质量数。例如，uranium-235 或 U-235，uranium-239 或 U-239，carbon-12 或 C-12 等。
• 使用 AZE 符号，其中我们写出元素的符号，并将原子序数作为下标（左下角）和质量数作为上标（左上角）。例如，同位素铀-235 写成 ²³⁵₉₂U，氢的同位素写成 ¹₁H、²₁H 和 ³₁H。

什么是母体同位素和子体同位素？

当放射性同位素发生放射性衰变时，初始同位素与结果同位素不同。这里，**当一个同位素开始衰变时，初始同位素称为母体同位素，而结果同位素称为子体同位素**。例如，当 U-238 同位素衰变产生 Th-234 时，铀原子称为母体同位素，而钍原子称为子体同位素。

同位素的类型

并非所有同位素都具有放射性。基于这一事实，它们主要分为两类：稳定同位素和放射性同位素。

稳定同位素

顾名思义，它们具有稳定的原子核，不会发生衰变或衰变速率非常慢。它们具有稳定的中子和质子组合。这些同位素对生物体无害，不像放射性同位素。

因此，稳定同位素不会发生放射性衰变。然而，如果发生，它们的衰变速率非常慢，因此仍然被认为是稳定同位素。例如，铋-209 是一种稳定的放射性同位素，其半衰期为 1.9 x 10¹⁹ 年，比宇宙的预期年龄还要长，所以即使它衰变，也被认为是稳定的放射性同位素。因此，半衰期极长的同位素被称为稳定同位素或稳定核素。例如，碳-12、氧-16、氧-17 等。

放射性同位素

它们不稳定，总是会发生衰变，因为它们具有不稳定的中子和质子组合。因此，具有不稳定原子核的同位素倾向于发生放射性衰变，因此本质上是放射性的，被称为放射性同位素或放射性核素。例如，C-14、氚（氢-3）、铀-235、铀-238 是一些放射性同位素。

此外，还有原始核素，它们自太阳系形成以来就存在。据信，在自然界发现的 339 种同位素中，有 286 种被认为是原始同位素。

如何找出同位素中中子的数量？

元素的原子质量是其存在的质子和中子之和。因此，要计算同位素或原子中中子的总数，我们可以从原子质量中减去质子的总数。原子序数等于中子的总数，所以我们可以说，我们可以从元素的质量数中减去其原子序数来确定其中存在的中子数。例如，C-12 的原子质量或质量数是 12，其原子序数是 6，因此它将有 12-6 = 6 个中子。

同位素的一般特征

• 它们的原子序数相同，因此含有相同数量的质子和电子。
• 它们的质量数不同，因为它们的中子总数不同。
• 它们的化学性质相同，因为它们含有相同数量的电子，而电子决定了元素的化学性质。

同量素

同量素是不同元素的原子，它们的原子序数不同但质量数相同。由于它们的原子序数不同，它们具有不同数量的质子和电子，因为我们知道原子序数等于质子和电子的数量。现在，它们的质量数相同，由质子和中子组成，现在质子不同，所以中子也不同，如果它们具有相同数量的中子，它们的质量数就不可能相同。

例如，氩和钙的原子（⁴⁰ ₁₈Ar 和 ⁴⁰ ₂₀Ca）是同量素。它们的原子质量相同，都是 40，但质子和电子的数量不同，分别是 18 和 20，中子数量也不同，分别是 22 (40-18) 和 20 (40-20)。Alfred Walter Stewart 于 1918 年提出了同量素这个词。它取自希腊词“isos”和“baros”，分别意为“相等”和“重量”。

同位素和同量素的区别（表格形式）

让我们看一些已解决的数值问题，以了解同位素和同量素。

1) 下列哪对是同位素，哪对是同量素？

i) ²³⁵₉₂U 和 ²³⁸₉₂U

ii) ⁴⁰₁₉K 和 ⁴⁰₂₀Ca

iii) ³₁H 和 ³₂He

iv) ¹⁶₈Y 和 ¹⁸₈Y

解决方案 (i)

在第一种情况下，两个原子都属于同一种元素。因此，它们的原子序数相同，都为 92。如果我们查看它们的原子质量，它们是不同的。因此，我们可以说它们代表了铀的同位素。

解决方案 (ii)

在这种情况下，我们有一个钾 (K) 原子和一个钙 (Ca) 原子，这意味着我们有两个原子属于两种不同的元素。现在，如果我们看它们的原子序数，它们是不同的（19 和 20），但是，如果我们看原子质量，它们的原子质量相同（40 和 40）。因此，我们可以说它们是同量素。

解决方案 (iii)

在这种情况下，我们有不同元素的原子，因此它们的原子序数不同（1 和 2）。但是，它们的原子质量或质量数相同，都是 3。因此，这两个原子是同量素。

解决方案 (iv)

在这里，我们可以看到两个原子都属于同一种元素 Y。现在，它们的原子序数相同，但质量数或原子质量不同。因此，它们被称为同位素。

因此，在上述四种情况下，我们有两种同位素（i 和 iv）和两种同量素（ii 和 iii）。

现在，让我们**计算 ²³⁵₉₂U 和 ²³⁸₉₂U 这对同位素中中子数量的差异**。

在 U-235 中，原子序数为 92，原子质量为 235。由于原子序数为 92，因此质子数将等于 92。现在，原子质量 (235) 等于质子和中子的总和。

所以，我们有 235 = 中子 + 92

所以，中子 = 235 - 92 = 143

现在，在第二种铀同位素中，原子序数为 92，原子质量为 238。因此，在这种情况下，中子 = 238 - 92 = 146

现在，给定铀的同位素或原子的中子数之差为 146 - 143 = 3 个中子。