什么是同位素？

原子是由质子（正电荷）、电子（负电荷）和中子（中性）组成的元素的最小单位。质子是带正电的粒子，电子是带负电的粒子，它们决定了元素的化合价。一个原子可以分为两个区域，第一个是包含质子和中子的原子核，另一个是携带电子的外壳。正如我们在太阳系中看到的行星一直围绕太阳旋转一样，原子的电子在其自己的轨道上不断围绕原子核旋转。质子和中子的质量相似，但电子的质量比质子或中子的质量要小得多。原子质量完全由原子核决定，因为它携带质子和中子。

什么是同位素？

Isotopes are different types of elements that have the same number of protons but a different number of neutrons. Carbon, potassium, and uranium, for example, all have numerous naturally occurring isotopes. Isotopes are characterized first by their element, then by the total of their protons and neutrons. 

同位素的稳定性各不相同。碳 12 ( ¹² C) 是碳的最普遍同位素，占地球上所有碳的 98.89%。碳 14 (1 ⁴ C) 是一种不稳定元素，仅存在少量。已知不稳定同位素会释放 α 粒子 (He ²⁺ ) 和电子。通过称为放射性衰变的过程，可以释放中子、质子和正电子并收集电子以实现更稳定的原子构型（较低的势能）。新形成的原子可能处于高能状态并释放伽马射线，降低能量但不会将原子转化为不同的同位素。这些原子被称为放射性同位素。

现在让我们讨论氢、碳、氧和氖等不同元素的同位素，如下所示：

氢的同位素

氢的原子序数为一，是元素周期表中的第一个元素。同位素是原子序数相同但质量数不同的元素。存在三种氢同位素：氚¹ H ₁ 、氘¹ H ₂或 D 和氚¹ H ₃或 T。由于它们中的中子数量不同，同位素也不同。

氢具有三种天然存在的同位素，分别用字母¹ H、 ² H 和³ H 表示。其他非常不稳定的原子核（ ⁴ H 到⁷ H）已在实验室中产生，但在自然界中尚未检测到。每种同位素都有不同的特征。迄今为止，这些同位素已被广泛使用。

下面简要讨论氢的三种同位素：

• Protium ( ¹ H ₁ )： Protium 的正式名称来自其结构，因为它仅由一个质子组成。 Protium 表示为¹ H。 它是最常见的同位素，因为它的丰度在自然界中占 99.98%。它是一种稳定同位素，原子质量为 1.007825 amu。它们是可燃的，可以与其他原子或化合物结合。

氚的原子结构

• 氘（ ² H ₁ ）：氘是氢的稳定同位素之一，也称为² H。氘的原子核由其原子核中的一个质子和一个中子组成。它的质量是氕的两倍。氘没有放射性，因此不会对人类产生负面影响。它也被称为重水。通常，重水用作中子慢化剂。氘也适用于核磁共振光谱，并用作原型聚变反应堆。

氘的原子结构

• 氚( ³ H ₁ )：氚是氢的最稳定的天然同位素。它也被称为³ H。它最初是在 1935 年通过轰击氘而制备的。它由一个带正电的质子和两个带负电的中子组成。氚衰变成非常轻的粒子，这些粒子会自动变成氦。它是在高层大气中通过宇宙射线的反应和与大气中存在的气体相互作用而形成的。氚用于制造发光涂料和自供电照明设备。它也可用作放射性标记实验中的放射性标记以及氢弹的二代。

氚的原子结构

碳同位素

碳有 15 种已知同位素，其中碳 12、碳 13 和碳 14 是主要的天然同位素。它们是稳定的并且自然发生。

• 碳 12：最初选择碳 12 代替氧，因为它由 6 个质子、6 个中子和 6 个电子组成。 碳 12 是碳的最丰富同位素，占元素碳的 98.93%。象征性地，它由¹² C 表示。碳 12 用于将摩尔定义为物质或元素。它的同位素质量数为 12u。 is 它用作测量所有核素的原子质量的标准。
• 碳 13：碳 13 是一种稳定同位素，专门用于医学调查和生理研究。其自然丰度为1.109%。它包含六个质子和七个中子。碳 13 的同位素质量为 13.035u。象征性地，它由¹³ C 表示。它们用于医学诊断测试。
• 碳 14：碳 14 也称为放射性碳，是一种碳的放射性同位素，由 Martin Kamen 和 Sam Ruben 在 1940 年发现。它包含六个质子和八个中子。它们用于放射性碳测年和放射性标记。 Carbon-14 还用于医学领域的呼气测试，以检测引起溃疡的细菌。象征性地，它用¹⁴ C 表示。它的同位素质量数为 14.10032u。

氧同位素

氧由 16 种同位素组成，其中有氧 16、氧 17 和氧 18 三种主要同位素。 Oxygen-16 是其中最稳定的同位素。因此，氧的同位素简述如下：

• Oxygen-16： Oxygen-16 是最稳定的氧同位素，自然丰度高达 99.76%。它由八个质子和八个中子组成。它的质量为 15.994914619 u。它贡献了 99% 的天然氧气。象征性地，Oxygen-16 由¹⁶ O 表示。放射性 N-13 是通过使用用于 PET 成像和心肌灌注的氧 16 产生的。
• Oxygen-17：氧的稳定和天然同位素，丰度低，被称为oxygen-17。它由 8 个质子和 9 个中子组成。象征性地，它用¹⁷ O 表示。它的同位素质量数为 16.9991315 u。 t 用于医学研究领域，有助于改善神经病学和心脏病学领域的药物实践。
• Oxygen- 18： Oxygen-18 是一种稳定的环境同位素。它通常也被称为重氧。象征性地用¹⁸ O 表示。它的原子核由 8 个质子和 10 个中子组成。氧-18的自然丰度为0. 2%，其同位素质量数为17.9991610 u。一般用于制药行业。它还用于通过氧18和氚的结合来生产重水。

氖的同位素

氖是第二轻的惰性气体，有 20 种同位素。它具有三种主要同位素，即氖 20、氖 21 和氖 22。氖的其他 17 种同位素都不是长寿命的放射性同位素。

• 氖 20：氖 20 是氖的主要稳定同位素。它由十个质子和十个中子组成。象征性地，它被写为²⁰ Ne。其原子质量为 19.99244018 amu。Neon-20 的自然丰度为 90.48%。它用于生产 F-18。 Neon-20 还用于研究 Masers 中的量子物理学。
• 氖 21：氖 21 是氖的稳定天然同位素之一。其符号表示由²¹ Ne 给出。 Neon-21 的自然丰度为 0.27%。它有 3/2 旋转，因此是四足的。其原子质量为 20.99 amu Neon-21 是一种天然存在的同位素。
• Neon-22： Neon-22 是一种稳定同位素，天然丰度为 9.25%。它由十个质子和十二个中子组成。象征性地，它被写为²² Ne。氖22的原子质量为21.9913851 amu，用于真空管、电视管、波长管等。

示例问题

问题1：氢的哪种同位素放射性最小？

解决方案：

Tritium is the most stable isotope of hydrogen. Hence, it is the least radioactive among all the isotopes of hydrogen which were produced by scientists and researchers as they are volatile and cannot exist freely.

问题2：重氢是什么意思？

解决方案：

Deuterium oxide is known as heavy hydrogen as deuterium has enriched molecules of water instead of normal hydrogen. It doe does not have any radioactive properties.

问题3：最常见的氢同位素是什么？

解决方案：

Protium is the commonly found isotope of hydrogen.  It is so-called because it consists of only one proton. Its atomic no. is equal to its atomic mass and accounts for nearly 99 percent of universal hydrogen.

问题 4：什么导致同位素？

解决方案：

Atoms of the same element with different numbers of neutrons are called isotopes. Elements contain one or more radioactive isotopes. Their nuclei are unstable, breaking down or declining and emitting radiation.

问题5：为什么存在同位素？

解决方案：

Isotopes exist because different elements have different types of atoms which are referred to as isotopes. They have the same number of protons, but different neutron numbers.

问题 6：同位素如何应用？

解决方案：

Isotopes of an element all have a similar kind of behaviour, but the unstable isotopes experience a spontaneous decline due to which they emit radiation and reach a stable state. The radioisotope activity is useful for:

• Food preservation
• Archaeological abject identification
• Medical diagnosis and treatment, etc.

问题 7：所有同位素都是放射性的吗？

解决方案：

Those elements with atomic numbers of more than 83 are radioisotopes, which means that they have unstable nuclei and are radioactive.