同位素和同量異位素

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簡介

同位素和同量異位素是與元素週期表中存在的元素相關的兩個重要概念。同位素具有相同的原子序數，但質量數不同，而同量異位素具有相同的質量數，但原子序數不同。

放射化學家弗雷德里克·索迪在1913年提出了同位素的概念，他認為元素可能具有一個或多個額外的質量數。然後，科學家阿爾弗雷德·沃爾特·斯圖爾特在1918年發現了同量異位素的存在，這意味著具有相同的質量數或原子量。

同位素和同量異位素的發現與一些長期存在的理論相矛盾。根據道爾頓的原子理論，具有相同原子序數的元素將具有相似的性質。但是，同位素的發現證明了具有相同原子序數但質量數不同的原子也表現出不同的性質。

原子序數

元素週期表中的元素是根據原子序數的遞增順序排列的。宇宙中存在的每種元素都具有特定的原子序數，可用於識別這些元素。原子序數是元素原子核中質子的數量。

不同元素的質子數不同，這是根據原子序數識別元素的原因。它用字母 Z 表示。原子序數也表示電子數，因為元素的質子數和電子數總是相同的。只有對於中性原子，電子數和質子數才相同。對於帶電的物種，此數量可能會有所不同。例如，碳元素的原子序數為 6，因此它包含 6 個質子和 6 個電子。

原子質量數

質量數或原子質量數也是另一個重要的術語，與元素的化學和物理性質密切相關。對於單個原子，計算質量數，或者它是原子中質子數和中子數的總和。碳的質量數為 12，是中子和質子（6）的總和。質量數用字母 A 表示。原子質量或質量數反映了原子的重量。

同位素

同位素是元素的一種變體，具有不同的質量數。但它們的原子序數相同。由於質量數是質子數和中子數的總和，因此同位素中不同的量是中子數。這些同位素可能是天然存在的，也可能是人工合成的。地球上發現的大多數天然同位素與人工合成的同位素相比是穩定的。幾乎所有存在於元素週期表中的元素都被發現具有同位素。迄今為止發現的元素大約有 256 種同位素。人工同位素也會發生放射性衰變。

例子

下面列出了一些同位素的例子。

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

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

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

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

同量異位素

同量異位素也是與元素和原子相關的元素。同量異位素包括具有相同質量數但原子序數不同的元素。由於同量異位素的每個成員的原子序數不同，因此此類的化學性質也不同。因為質子和電子的數量不同。但同量異位素已被發現表現出相似的物理性質。它們在核化學和醫學領域被用於多種用途。

例子

同量異位素有很多例子。下面列出其中一些。

• $\mathrm{^{40}_{18}Ar\:,\:^{40}_{19}Kr\:and\:^{40}_{20}Ca}$ 是具有相同質量數的同量異位素的例子

• $\mathrm{^{14}_{6}C\:and\:^{14}_{7}N}$ 是具有相同質量數 14 的同量異位素的例子。

• $\mathrm{^{58}_{26}Fe\:and\:^{58}_{28}C}$ 也是具有質量數 58 的同量異位素的例子。

• $\mathrm{^{37}_{17}Cl\:and\:^{37}_{18}Ar}$ 是質量數為 37 的其他例子。

寫出同位素和同量異位素的區別。

下表列出了同位素和同量異位素的區別。

同位素	同量異位素
原子序數相同。	原子序數不同。
它們只是具有不同形式的相同化學元素。	它們是兩種完全不同的化學元素，但在質量數上具有相似性。
它們的化學和物理性質幾乎相同。	它們的化學性質不同，但物理性質相同。
對於同位素家族或組，所有成員都具有相同的原子序數。	對於同量異位素家族或組，所有成員都具有不同的原子序數。
同位素在元素週期表中的位置相似。	它們在元素週期表中的位置不同。
原子質量不同。	它們的原子質量相同。
中子數不同。	中子數也可能不同。
原子質量不同。	它們的原子質量相同。

Aloha2009, N14-C14, CC BY-SA 3.0

結論

同位素和同量異位素是與元素中存在的原子相關的兩個重要術語。它們對於解釋原子的多種性質很重要。原子序數和質量數是解釋同位素和同量異位素所必需的。

原子序數表示元素中質子的數量，而質量數透過新增質子、中子和電子數來表示原子的總質量。同位素是一類具有相同原子序數的元素，而同量異位素是具有相同質量數的元素。在同位素和同量異位素中，同位素是具有變體的相同化學元素，而同量異位素是完全不同的化學元素。

常見問題

1. 同位素在農業領域的應用是什麼？

在農業領域，磷的同位素用於研究植物的吸收趨勢。磷-32 同位素用於此目的。

2. 行業如何利用同位素？

許多行業都利用同位素用於各種應用。例如，在食品行業，鈷的同位素鈷-60 會產生伽馬射線，用於殺死食品中存在的微生物。在塑膠製造行業，氪的同位素氪-85 用於控制塑膠化合物的厚度。

3. 同量異位素的應用是什麼？

同量異位素也用於許多應用。鈷的一種同量異位素用於治療癌症，鈾的同量異位素用於核反應堆，碘的同量異位素用於治療甲狀腺腫，磷的同量異位素用於治療白血病等。

4. 能否在門捷列夫元素週期表中輕鬆調整同量異位素？

不能，同量異位素具有不同的質量數是原因。門捷列夫元素週期表中元素的排列是基於原子序數的，但如果它是基於質量數的，則這將是可能的。

5. 給出同中子素的例子？

同中子素具有相同數量的中子。在 $\mathrm{^{39}_{19}K\:,\:^{36}_{36}S\:.\:^{37}_{17}Cl\:and\:^{38}_{18}Ar}$ 中，每個都具有 20 箇中子。