同位素

同位素

同位素（Isotope）是指具有相同原子序數（即質子數相同）但不同質量數（即中子數不同）的同一化學元素的不同原子。這些原子在元素週期表中佔據相同的位置（"同位"即"相同位置"之意），化學性質幾乎相同，但物理性質可能有顯著差異。

• 1913年：英國化學家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）首次提出"同位素"概念

• 1919年：弗朗西斯·威廉·阿斯頓（Francis William Aston）發明質譜儀，為同位素研究提供重要工具

• 1932年：詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發現中子，解釋了同位素的存在原因

穩定同位素

穩定同位素是指不會自發發生放射性衰變的同位素。目前已知自然界中存在約250種穩定同位素。

放射性同位素

放射性同位素（又稱不穩定同位素）會自發地通過放射性衰變轉變為其他元素。已知的放射性同位素超過1,000種。

天然放射性同位素

自然界中存在的放射性同位素，如鈾-235、鈾-238等。

人工放射性同位素

通過人工核反應產生的放射性同位素，如鈷-60、碘-131等。

物理性質差異

• 質量差異導致擴散速率、蒸發速率等不同

• 核自旋差異影響核磁共振特性

• 某些情況下熔點、沸點等物理常數有微小差異

化學性質相似性

由於電子結構相同，同位素的化學性質極其相似，但在反應速率上可能存在差異（同位素效應）。

• 氣體擴散法

• 離心法

• 電磁分離法

• 激光分離法

• 熱擴散法

• 化學交換法

醫學應用

• 放射性同位素用於診斷（如PET掃描）和治療（如放射治療）

• 穩定同位素用於代謝研究

工業應用

• 輻射加工

• 同位素示蹤

• 無損檢測

科研應用

• 同位素地質年代學

• 同位素地球化學

• 古氣候研究

能源領域

• 鈾同位素分離用於核燃料生產

• 氫同位素用於核聚變研究

• 氫的三種同位素：氕（¹H）、氘（²H）、氚（³H）

• 碳的兩種穩定同位素：碳-12（¹²C）、碳-13（¹³C）

• 放射性碳-14（¹⁴C）用於碳定年法

• 鈾的主要同位素：鈾-235（可裂變）、鈾-238

同位素研究在地球科學中具有重要價值，可用於：

• 確定岩石和礦物的形成年齡

• 研究地質過程和物質循環

• 追蹤污染源和環境變化

• 重建古氣候和古環境

放射性同位素的使用需嚴格遵守安全規範：

• 時間、距離、屏蔽三原則

• 輻射監測與個人防護

• 放射性廢物處理

• 應急預案與事故處理

同位素科學作為一門交叉學科，在現代科學技術發展中扮演著不可或缺的角色，其應用範圍仍在不斷擴大。