同位素

具有相同质子数、不同中子数（或不同质量数）的同一元素的不同核素互为同位素。这里的原子是广义概念，指微观粒子。例如氢有三种同位素：氕（H）、氘（D，重氢）、氚（T，超重氢）；碳有多种同位素，如¹²C、¹⁴C等。19世纪末先发现放射性同位素，随后发现天然存在的稳定同位素并测定其丰度。大多数天然元素都存在几种稳定的同位素。同种元素的各种同位素质量不同，但化学性质几乎相同。许多同位素有重要用途，例如：¹²C作为原子量标准；氢同位素是制造氢弹的材料；铀同位素（如²³⁵U）是原子弹和核反应堆的原料。同位素示踪法广泛应用于科学研究、工农业生产和医疗技术，例如用¹⁸O标记化合物确证酯化反应历程，¹³¹I用于甲状腺吸碘机能实验。

同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子质量或质量数不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质（如在气态下的扩散本领）有所差异。同位素表示法是在元素符号左上角注明质量数，例如碳14一般用¹⁴C。自然界中多种元素都有同位素，有的是天然存在的，有的是人工制造的，有的有放射性，有的没有。同一元素的同位素化学性质基本相同，物理性质有差异（主要表现在质量上）。自然界中各种同位素的原子个数百分比一定。

1910年英国化学家F.索迪提出假说：化学元素存在相对原子质量和放射性不同但其他物理化学性质相同的变种，称同位素。不久从不同放射性元素得到铅的相对原子质量分别为206.08和208。1897年英国物理学家W.汤姆逊发现电子，1912年改进仪器制得磁分离器（质谱仪前身），用氖气测定时发现两条抛物线，分别代表质量为20和22的氖，首次发现稳定同位素。F.W.阿斯顿制成第一台质谱仪后进一步证明氖有两种同位素，并从70多种元素中发现200多种同位素。1932年提出原子核的中子-质子理论后，弄清同位素是质子数相同、中子数不同的原子。由于质子数相同，核电荷和核外电子数相同，电子层结构相同，化学性质相同；但中子数不同导致原子质量和某些物理性质（如放射性）不同。一般来说，质子数为偶数的元素有较多稳定同位素（通常不少于3个），质子数为奇数的元素一般只有一个稳定核素，不超过两个，由核子结合能决定。同位素发现深化了对原子结构的认识，使元素概念有了新含义，相对原子质量基准发生变革，证明决定元素化学性质的是质子数而非原子质量。

同位素和其他核技术的开发应用是和平利用核能的重要方面。1982年中国核工业部成立中国同位素公司，负责组织生产、供应和进出口贸易。中国核学会设有核农学、核医学、核能动力、辐射工艺、同位素等19个分会。中国同位素品种包括放射性药物、放射源、³H、¹⁴C等标记化合物、放化制剂、放射免疫分析试剂盒和稳定同位素及其标记化合物等。中国原子能科学研究院同位素产量占全国总量80%以上，用户逐步从依赖进口转为国内自给。

农业方面：采用辐射方法培育农作物优良品种，使粮食、棉花、大豆等增产；利用同位素示踪技术研究农药和化肥合理使用及土壤改良；辐射保藏食品研究取得进展。

医学方面：全国上千家医疗单位建立百多项同位素治疗方法，包括体外照射治疗和体内药物照射治疗。同位素在免疫学、分子生物学、遗传工程研究和基础核医学中发挥重要作用。

定义：由于质量或自旋等核性质不同，同一元素的同位素原子（或分子）之间物理和化学性质存在差异的现象。同位素效应是同位素分析和分离的基础，能揭示物质微观结构与性质关系。

历史发展：20世纪30年代普遍测定氘、重水等轻元素宏观物理常数，50年代测定HDO的键长、键角等微观结构，70年代深入同位素取代异构分子研究。动力学同位素效应研究深入生命过程。同位素效应分为：

• 光谱同位素效应：核质量不同使能级变化，引起原子或分子光谱谱线位移；核自旋不同引起精细结构变化。早期用于发现新同位素和进行同位素分析，后主要用于研究分子微观结构。
• 热力学同位素效应：轻元素同位素化合物的热力学性质测定较精密。最重要的是同位素交换反应平衡常数研究，其次是蒸气压同位素效应。是轻元素同位素分离的理论基础。
• 动力学同位素效应：化学反应中，同位素取代改变反应物能态，引起反应速率差异。1933年G.N.路易斯用电解水获得重水证实此效应。H/D分离系数可达2~10。利用统计理论解释，溶剂同位素效应在溶液中发生。是分离同位素的重要依据，也可研究反应机理和溶液理论。
• 生物学同位素效应：1933-1934年路易斯试验烟草种子在重水中发芽，发现重水浓度越高发芽越慢；蝌蚪、金鱼在浓重水中迅速死亡。大麦粒优先吸收轻水，使剩液富集重水；锂被酵母吸收后富集⁶Li。氘的效应最显著，重水使生化反应速率减慢，破坏机体代谢机能导致病态或死亡。

• 详细同位素表
• 郭正谊编著《稳定同位素化学》（无机化学丛书，第17卷），科学出版社，北京，1984。

• 郭正谊. 稳定同位素化学（无机化学丛书，第17卷）. 北京: 科学出版社, 1984.
• 王世俊, 李振甲. 同位素技术及其在生物学中的应用. 北京: 科学出版社, 1996.
• Knox, J. H. Molecular Thermodynamics of Isotope Effects. New York: Wiley, 1979.
• Bigeleisen, J., Wolfsberg, M. Theoretical and Experimental Aspects of Isotope Effects in Chemical Kinetics. Adv. Chem. Phys., 1958, 1: 15-76.