同位素

元素的三種天然同位素。三種同位素都有一個質子，因此它們都是氫原子。由左至右的同位素分別為具有0個中子的氕（）、具有1個中子的氘（）和具有2個中子的氚（）。]]

同位素（），又稱同位素核種（），是指同一化學元素之下的不同核種。同一種元素的所有同位素都具有相同的質子數目（即原子序數），但中子數目不同，故質量數不同。由於這些核種屬於同一種化學元素，在化學元素週期表佔有同一個位置，因此得名。

同位素的英文isotope是由希臘文詞根isos（ἴσος ，意為“相同”）和topos（τόπος， 意為“地方”）組成，意思是“同一個地方”。該詞由蘇格蘭醫生兼作家於1913年創造並在與英國化學家弗雷德里克·索迪談話時提出。

同位素與核種
核種是指原子的種類，由原子核內質子及中子的數量及核的能態作區分，而、、的質量數皆為40，互為同量素（又稱-{zh-cn:同量素;zh-tw:同量異位素}-），、、的中子數皆為20，互為同中子素（又稱同中子異位素）。至於核種一詞則可用於稱呼任何原子核構造或所處能態不同的原子種類，如質子數或中子數不同的原子，皆視為不同的核種。當使用化學符號表示同位素時，通常使用^A_Z E _N的形式，其中E為該同位素所屬元素的化學符號（氘和氚這二種同位素有自己的符號）；Z為該同位素的質子數（即原子序數）；A為該同位素的質量數（即核子數，質子數和中子數之和）；N為該同位素的中子數（一般情况下不標出），例如、、、、、。由於從同位素的所屬元素便可推知其質子數，因此以符號表示同位素時通常只會註明其上標的質量數，而省略下標的質子數，如、、、、、。若在同位素符號的質量數後加上字母m，則表示其為該同位素的同核異構體，其原子核處於較高能階的亞穩態，但半衰期比一般的激發態原子核要長（通常達到100~1000倍的時間），例如（鎝-99m）、（鉭-180m）等。當一同位素存在多個不同能階的同核異構體時，則使用m1、m2、m3等，按照其激發能量從低到高進行標記，如（鉿-177m2）等。

穩定性
每一種元素都有著多種同位素，由於原子核中不同數目的質子和中子的組合會影響其穩定性，因此每種同位素的核穩定性各不相同。

目前已知的大多數同位素原子核皆不穩定，具有放射性，會自發性地放出游離輻射並衰變成其他核種，稱為放射性同位素，例如氚、碳-14、鉀-40、鈷-60和碘-131等。若某元素的所有同位素都具有放射性，則該元素會被稱為放射性元素，如鈾、鐳和氡等。每種放射性同位素的核穩定性各不相同，因此發生衰變的半衰期也有長有短，原子核越不穩定的同位素半衰期越短，放射性越強。目前已發現的放射性同位素超過3000種，其中大部分不存在於自然界，只能藉由人工合成的方式生成，稱為人造放射性同位素。至於天然存在的放射性同位素則包括半衰期極長的、原始放射性核種衰變生成的次生天然放射性核種以及天然核反應產生的及放射性核種。

原子核穩定、不會發生放射性衰變的同位素則稱為穩定同位素，共有251種，皆自然存在於地球上。原子序小於83（鉍之前）的元素中，除了鎝和鉕外，都具有至少一種穩定的同位素，其中只有一種穩定同位素的元素被稱作單一同位素元素，其他的元素則有超過一種的穩定同位素，其中錫有10種穩定同位素，是具有最多種穩定同位素的元素。穩定同位素由於不會衰變成其他同位素，自恆星核合成過程誕生後能以穩定的量恆久存在，因此構成了現今自然界中絕大多數的物質，大多數元素在地球和太陽系中同位素的豐度比例往往也是穩定同位素占絕大部分或全部。不過自然界中有三種元素（碲、銦和錸）雖然有著穩定同位素，但其豐度最高的同位素卻是壽命極長的放射性同位素。

理論計算顯示，許多表面上為“穩定”的同位素實際上應具有放射性，但半衰期極長（不考慮質子衰變的可能性，因為這將使所有同位素皆屬不穩定）。理論上，一些穩定的同位素在能量上容易受到一些已知衰變形式的影響，例如α衰變或雙β衰變，然而目前尚未觀察到任何它們發生衰變的現象，​​因此這些同位素被認為是“觀測上穩定”的同位素。這些同位素的預測半衰期往往遠超宇宙的估計年齡。

質子數的奇偶性
質子數為偶數（尤其是2、8、20、28、50、82及126等幻數）的同位素通常具有較高的穩定性，所含的穩定核種較多。50（錫）是具有最多穩定同位素的質子數目，有10種穩定核種都具有50個質子。而4（鈹）是唯一一個只有1種穩定同位素的偶數質子數目，故鈹是所有單一同位素元素中唯一原子序數為偶數的元素。

質子數

• 工廠中使用、、等放射性同位素釋放的輻射來消除紙張、橡膠薄片、塑膠薄片、絲線等絕緣體相互摩擦時產生的靜電。
• 放射性定年法：藉由測定樣本中某些放射性同位素與其衰變產物的比率，可以該放射性同位素之半衰期來推算該樣本的存在年代。最廣為人知的例子是放射性碳定年法，用於測定化石等生物性有機物的年代。
• 某些形式的光譜學必須依賴特定同位素的獨特核性質，包括一些放射性同位素和穩定同位素。例如，核磁共振（NMR）光譜只能用於核自旋非零的同位素，其最常用的同位素有、、、和等。
• 穆斯堡爾譜學依賴於特定同位素的核躍遷，例如等。

参閱

• 同位素列表
• 同位素豐度
• 核種
• 核種列表
• 同中子素
• 同量素
• 天然同位素
• 穩定同位素
• 放射性同位素

** 天然放射性同位素
** 人造放射性同位素

參考文獻