引入

为什么同样是碳,碳-14 能用于考古断代?

为什么氢元素既能做氢弹,又能做燃料电池?

为什么铀-235 和铀-238 化学性质相同,却只有后者在自然界中占绝大多数?

化学元素只告诉我们质子数,但相同元素的原子核可以有不同的中子数和能量状态。核素概念就是把“元素”再细分一层。

正文

定义

核素是具有特定质子数、中子数和核能态,且平均寿命长到足以被观测的一类原子。

核素是比“元素”更精确的描述:元素只区分质子数,核素还要区分中子数和核能态。

符号表示

核素使用 表示:

符号名称含义
质量数质子数与中子数之和
质子数也称原子序数
中子数—
元素符号—

例如 表示碳-14,有 6 个质子、8 个中子。

同位素

定义

同位素是同一元素的不同核素,质子数 相同,中子数 不同。

性质是否相同原因
化学性质几乎相同核外电子排布相同
物理性质可能不同质量不同
核性质可能差异很大中子数不同,稳定性不同

同位素效应在轻元素上最明显: 与 的质量差一倍,导致振动频率、反应速率明显不同。

稳定性分类

类型特点例子
稳定同位素不发生放射性衰变、
放射性同位素自发衰变,释放射线、

碳-14 断代

碳-14 是放射性同位素,半衰期约 5730 年。

原理:

  1. 生物活着时,体内 与 的比例保持恒定(通过呼吸、进食与大气交换)
  2. 生物死亡后, 不再补充,只会衰变减少
  3. 测量化石中 的剩余量,可推算死亡时间

衰变公式:

其中 是衰变常数。

由剩余比例求时间:

剩余比例距今(约)
50%5730 年
25%11460 年
12.5%17190 年
1%约 38000 年

这种方法适用于约 5 万年以内的有机物。超过这个范围,剩余量太少,测量误差过大。

核能应用

核裂变:

  • 和 都是铀的同位素,但只有 容易发生链式裂变
  • 天然铀中 只占 0.7%,需要浓缩
  • 核反应堆和原子弹利用 的裂变释放能量

核聚变:

  • 氘 和氚 可以发生聚变
  • 氢弹利用氘氚聚变释放巨大能量:

聚变单位质量释放的能量比裂变更大,且原料储量丰富,但需要极高温度约束。

医学和工业应用

同位素应用原理
甲状腺疾病诊断和治疗甲状腺选择性吸收碘
医学显像半衰期短、γ 射线能量适中
放射治疗、工业探伤强 γ 射线
示踪研究跟踪代谢路径

常见误区

错误说法问题
“同位素化学性质完全不同”几乎相同,核外电子排布一样
“放射性同位素都不稳定”半衰期可以很长,如
“碳-14 可以测定任何年代”只适用于 5 万年内的有机物
“同位素就是同素异形体”前者是原子核层次,后者是单质结构层次

引出

放射性同位素如何衰变?衰变类型有哪些?见天然辐射。

为什么有些核素稳定,有些不稳定?中子-质子比如何影响稳定性?这涉及核结合能。

半衰期为什么是统计规律,而不是单个核的确定寿命?