什么是同位素?

元素周期表上一共有118种不同的元素,元素和元素之间是以其所拥有的的质子中子电子的数量来进行区分的。每种化学元素原子都具有相同数量的质子和电子,而中子数量则不能决定元素的种类。

通过上面对元素的定义我们可以发现,中子是原子中的一个变量,当两个元素的原子中质子和电子数量是一样的,而中子数量不一样,则这两种元素就被称为是同位素

氢元素的同位素具有不同的中子数
氢元素的同位素具有不同的中子数

所以同位素中的原子具有不同的中子数量,这些同位素之间具有几乎完全相同的化学性质,但是因为中子数量不同所以同位素原子质量是不一样,这也就会导致这些同位素的物理性质不同。

同位素中有一些是能够稳定存在的,不会衰变发射辐射,但是也有很多同位素不稳定,会不断的衰变发射辐射,后者就被称为是放射性同位素。

比如碳12、碳13和碳14是碳元素的三个同位素,质量数分别为12、13和14。碳的原子序数是6,这意味着每个碳原子有6个质子,因此这些同位素的中子数分别为6、7和8。其中碳12是碳元素最稳定的碳同位素,占地球碳元素的98.93%。碳13也是一种稳定的碳同位素,占天然碳元素的1.1%。

而碳14则是一种放射性同位素,碳14的半衰期为5730±40年,会衰变成氮14。碳14的含量非常低,大约占碳元素原子总数的万亿分之一。

碳14最常用的用途在于放射性碳定年法,能够用来测量45000年内的各种物品的历史。

元素周期表上前80种元素都具有稳定同位素,而后面的元素则都属于放射性元素,特别是最后的几个人造元素,它们的衰变周期非常短,无法稳定存在。

在这80种元素中有26种元素只有一种稳定同位素。因此,地球上大约三分之二的稳定元素以多种稳定同位素的形式自然存在。其中锡元素是拥有稳定同位素数量最多的一种元素,它拥有10种稳定的同位素。

锡元素拥有10种稳定同位素,是最多的一种元素
锡元素拥有10种稳定同位素,是最多的一种元素

地球上自然存在大约94种元素(包括钚),尽管有些元素的检测量非常小,例如钚244。科学家估计,地球上自然存在的元素(有些仅作为放射性同位素)总共以339种同位素(核素)的形式存在。这些天,因为迄今为止从未观察到衰变。另外34种原始核素(总共286种原始核素)具有已知半衰期的放射性,但其半衰期超过1亿年,因此它们从太阳系开始就存在。

所有已知的稳定核素都天然存在于地球上;其他天然存在的核素具有放射性,但由于其相对较长的半衰期或其他正在进行的自然生产方式而出现在地球上。这些包括宇宙成因核素和由原始放射性同位素(例如来自铀的氡和镭)的持续衰变形成的任何放射性核素。

在核反应堆和粒子加速器中产生了另外约3000种自然界未发现的放射性同位素。许多在地球上没有自然发现的短寿命核素也通过光谱分析观察到,它们是在恒星超新星中自然产生的。一个例子是铝26,它不是在地球上自然发现的,但在天文尺度上却大量存在。

宇宙大爆炸只产生了少数几种元素,现在宇宙中的各种元素都是后来形成的
宇宙大爆炸只产生了少数几种元素,现在宇宙中的各种元素都是后来形成的

根据宇宙大爆炸理论,在宇宙中只有氢和氦的同位素,锂和铍的一些同位素,也许还有一些硼,是在宇宙大爆炸中产生的,而所有其他核素都是后来合成的,在恒星和超新星中,在宇宙射线等高能粒子与先前产生的核素之间的相互作用。地球上同位素的各自丰度是由这些过程形成的数量、它们在银河系中的传播以及不稳定同位素的衰变速率决定的。太阳系最初合并后,同位素根据质量重新分布,元素的同位素组成因行星而异。这有时使追查陨石的起源成为可能。

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