什么是同位素？

原子由圍繞著致密原子核的電子云組成，該原子核小 100,000 倍，由質子和中子組成。質子數（即原子序數“Z”）決定元素；例如，鍶原子核總是有 38 個質子，銣原子核總是有 37 個質子。原子核周圍有相同數量的電子以保持原子電中性，這些電子決定了元素的化學性質，使分子能夠氯化鍶，SrCl?2，由單獨的鍶和氯原子形成鍵。

同位素是具有相同質子數（即原子序數“Z”）但中子數不同的相同元素的原子，這意味著它們的質量數“A”不同。以氫氣為例。它具有三種天然存在的同位素 -?1?H、2?H 和3?H。Hydrogen-1 或氕是最常見的氫同位素，占氫原子的 99.98%，并且沒有中子。Hydrogen-2 和 Hydrogen-3 分別具有 1 個和 2 個中子，并且通常是人造的。氫還有四種額外的同位素（4?H 至7?H），它們是人造的且高度不穩定。

具有大量同位素的元素的另一個例子是鍶。雖然大多數（82.58%）鍶原子有 50 個中子，但其他原子有 44 到 52 個中子，但它們仍然是鍶，因為它們有 38 個質子。

同位素表示法

同位素有多種表示方式。最常見的是，它們由特定元素的名稱或符號指定，緊接著連字符和質量數（例如碳14或C-14）。同位素也可以用標準或“AZE”表示法定義，其中 A 是質量數，Z 是原子序數，E 是元素符號。質量數“A”用化學符號“E”左側的上標表示，而原子序數“Z”用下標表示。

然而，由于原子序數“Z”始終可以通過化學符號來確定，因此通常的做法是僅說明質量數（例如，14?C）并將其發音為“碳十四”。如果質量數后面緊跟著字母“m”（例如technetium-99m），則表示原子核處于亞穩態（即同位素最低能量基態以外的穩定狀態）。

?

同位素性質

同一元素的同位素具有幾乎相同的化學和物理性質，但它們的核性質各不相同，使得某些同位素對人類具有無價的價值，而另一些則沒有實用價值（至少目前如此）。有些被稱為“穩定”，這意味著它們的核構成不會隨著時間而改變。大多數天然存在的同位素是穩定的。如果同位素的核有可能隨時間自發變化（即放射性衰變），則該同位素具有“放射性”。在放射性衰變過程中，“母體”同位素轉變為“子體”同位素（可能是不同元素）。通常，在獲得穩定的核之前，必須完成一系列稱為“衰變鏈”的子衰變。放射性同位素衰變的速率通過原子的半衰期 (t?H?) 來衡量，它代表一半材料衰變所需的時間。每種放射性同位素都有明確的半衰期，范圍從幾分之一秒（例如215?At 為 0.1 毫秒）到數十億年（例如238?U 為 44.68 億年）。

元素可以同時具有穩定同位素和放射性同位素。例如，鍶有四種穩定同位素：Sr-84、Sr-86、Sr-87 和 Sr-88；和一種放射性同位素 Sr-82。隨著時間的推移，Sr-82 衰變成銣-82，半衰期為 25 天，使其適合在發生器中使用，以提供銣-82，這是用于心臟成像的最方便的正電子發射斷層掃描劑。二十六種元素只有一種穩定元素，而錫的同位素最穩定，有十種。

據估計，大約 90 種天然存在的元素以 339 種不同的同位素形式存在，其中大約 250 種是穩定的，35 種是不穩定的（放射性），半衰期極長，長達數百萬年。人工制造了超過 3,000 種額外的放射性同位素。在自然界中，大多數元素都是由同位素混合物組成。

訪問布魯克海文國家實驗室的國家核數據中心網站，獲取交互式核素圖表，該圖表根據原子核中質子和中子的數量組織所有元素和同位素，并提供有關穩定同位素自然豐度百分比、放射性半衰期的信息同位素、主要排放物和能量（α、β、正電子、γ）等。

同位素形成和輻射類型

同位素可以通過原子核的放射性衰變（即以α粒子、β粒子、中子和光子形式發射能量）自發地（自然地）形成，也可以通過加速器或中子用帶電粒子轟擊穩定的原子核而人工形成。核反應堆。在某些情況下，會產生相同元素的新同位素。在其他情況下，一個元素在稱為“嬗變”的過程中轉換為另一個元素。

當放射性同位素自然衰變時，粒子在穿過空氣、水和人等物質時會將能量沉積（即損失）到這些物質上。阿爾法粒子能量沉積在最短的距離上，因此最容易“停止”。β 粒子需要更多的保護，而光子（伽馬射線和 X 射線）則需要更大的屏蔽。由于其高動能，中子輻射被認為對人類來說是最嚴重和最危險的，因此通常需要最有效的屏蔽。可以減慢中子速度的低原子序數材料（水、碳、鋰等）通常提供最有效的屏蔽。