同位素和同量异位素

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简介

同位素和同量异位素是与元素周期表中存在的元素相关的两个重要概念。同位素具有相同的原子序数，但质量数不同，而同量异位素具有相同的质量数，但原子序数不同。

放射化学家弗雷德里克·索迪在1913年提出了同位素的概念，他认为元素可能具有一个或多个额外的质量数。然后，科学家阿尔弗雷德·沃尔特·斯图尔特在1918年发现了同量异位素的存在，这意味着具有相同的质量数或原子量。

同位素和同量异位素的发现与一些长期存在的理论相矛盾。根据道尔顿的原子理论，具有相同原子序数的元素将具有相似的性质。但是，同位素的发现证明了具有相同原子序数但质量数不同的原子也表现出不同的性质。

原子序数

元素周期表中的元素是根据原子序数的递增顺序排列的。宇宙中存在的每种元素都具有特定的原子序数，可用于识别这些元素。原子序数是元素原子核中质子的数量。

不同元素的质子数不同，这是根据原子序数识别元素的原因。它用字母 Z 表示。原子序数也表示电子数，因为元素的质子数和电子数总是相同的。只有对于中性原子，电子数和质子数才相同。对于带电的物种，此数量可能会有所不同。例如，碳元素的原子序数为 6，因此它包含 6 个质子和 6 个电子。

原子质量数

质量数或原子质量数也是另一个重要的术语，与元素的化学和物理性质密切相关。对于单个原子，计算质量数，或者它是原子中质子数和中子数的总和。碳的质量数为 12，是中子和质子（6）的总和。质量数用字母 A 表示。原子质量或质量数反映了原子的重量。

同位素

同位素是元素的一种变体，具有不同的质量数。但它们的原子序数相同。由于质量数是质子数和中子数的总和，因此同位素中不同的量是中子数。这些同位素可能是天然存在的，也可能是人工合成的。地球上发现的大多数天然同位素与人工合成的同位素相比是稳定的。几乎所有存在于元素周期表中的元素都被发现具有同位素。迄今为止发现的元素大约有 256 种同位素。人工同位素也会发生放射性衰变。

例子

下面列出了一些同位素的例子。

• 碳的同位素为 $\mathrm{^{12}_{6}C\:,\:^{13}_{6}C\:and\:^{14}_{6}C}$

• 氢的同位素为 $\mathrm{^{1}_{1}H\:,\:^{2}_{1}H\:and\:^{3}_{1}H}$

• 碘的同位素为 $\mathrm{^{127}_{53}I\:and\:^{131}_{53}I}$

• 硼的同位素为 $\mathrm{^{1}_{1}B\:and\:^{1}_{1}B}$

同量异位素

同量异位素也是与元素和原子相关的元素。同量异位素包括具有相同质量数但原子序数不同的元素。由于同量异位素的每个成员的原子序数不同，因此此类的化学性质也不同。因为质子和电子的数量不同。但同量异位素已被发现表现出相似的物理性质。它们在核化学和医学领域被用于多种用途。

例子

同量异位素有很多例子。下面列出其中一些。

• $\mathrm{^{40}_{18}Ar\:,\:^{40}_{19}Kr\:and\:^{40}_{20}Ca}$ 是具有相同质量数的同量异位素的例子

• $\mathrm{^{14}_{6}C\:and\:^{14}_{7}N}$ 是具有相同质量数 14 的同量异位素的例子。

• $\mathrm{^{58}_{26}Fe\:and\:^{58}_{28}C}$ 也是具有质量数 58 的同量异位素的例子。

• $\mathrm{^{37}_{17}Cl\:and\:^{37}_{18}Ar}$ 是质量数为 37 的其他例子。

写出同位素和同量异位素的区别。

下表列出了同位素和同量异位素的区别。

同位素	同量异位素
原子序数相同。	原子序数不同。
它们只是具有不同形式的相同化学元素。	它们是两种完全不同的化学元素，但在质量数上具有相似性。
它们的化学和物理性质几乎相同。	它们的化学性质不同，但物理性质相同。
对于同位素家族或组，所有成员都具有相同的原子序数。	对于同量异位素家族或组，所有成员都具有不同的原子序数。
同位素在元素周期表中的位置相似。	它们在元素周期表中的位置不同。
原子质量不同。	它们的原子质量相同。
中子数不同。	中子数也可能不同。
原子质量不同。	它们的原子质量相同。

Aloha2009, N14-C14, CC BY-SA 3.0

结论

同位素和同量异位素是与元素中存在的原子相关的两个重要术语。它们对于解释原子的多种性质很重要。原子序数和质量数是解释同位素和同量异位素所必需的。

原子序数表示元素中质子的数量，而质量数通过添加质子、中子和电子数来表示原子的总质量。同位素是一类具有相同原子序数的元素，而同量异位素是具有相同质量数的元素。在同位素和同量异位素中，同位素是具有变体的相同化学元素，而同量异位素是完全不同的化学元素。

常见问题

1. 同位素在农业领域的应用是什么？

在农业领域，磷的同位素用于研究植物的吸收趋势。磷-32 同位素用于此目的。

2. 行业如何利用同位素？

许多行业都利用同位素用于各种应用。例如，在食品行业，钴的同位素钴-60 会产生伽马射线，用于杀死食品中存在的微生物。在塑料制造行业，氪的同位素氪-85 用于控制塑料化合物的厚度。

3. 同量异位素的应用是什么？

同量异位素也用于许多应用。钴的一种同量异位素用于治疗癌症，铀的同量异位素用于核反应堆，碘的同量异位素用于治疗甲状腺肿，磷的同量异位素用于治疗白血病等。

4. 能否在门捷列夫元素周期表中轻松调整同量异位素？

不能，同量异位素具有不同的质量数是原因。门捷列夫元素周期表中元素的排列是基于原子序数的，但如果它是基于质量数的，则这将是可能的。

5. 给出同中子素的例子？

同中子素具有相同数量的中子。在 $\mathrm{^{39}_{19}K\:,\:^{36}_{36}S\:.\:^{37}_{17}Cl\:and\:^{38}_{18}Ar}$ 中，每个都具有 20 个中子。