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同位素是同一化学元素的不同核素（或核素）。它们具有相同的原子序数（原子核中的质子数）和在周期表中的位置（因此属于相同的化学元素），但由于原子核中的中子数不同，因此核子数（质量数）不同。虽然给定元素的所有同位素都具有几乎相同的化学性质，但它们具有不同的原子质量和物理性质。
同位素一词由希腊词根isos（?σο?“等于”）和topos（τ?πο?“地方”）组成，意思是“同一个地方”；因此，该名称背后的含义是单个元素的不同同位素在元素周期表上占据相同的位置。[2]它是由苏格兰医生兼作家玛格丽特·托德(MargaretTodd)在年向英国化学家弗雷德里克·索迪(FrederickSoddy)提出的建议中创造的，后者进一步普及了该术语。[]
原子核内的质子数称为原子序数，等于中性（非电离）原子中的电子数。每个原子序数标识一个特定元素，但不标识同位素；给定元素的原子的中子数可能有很大范围。原子核中核子（质子和中子）的数量就是原子的质量数，给定元素的每种同位素都有不同的质量数。
例如，碳-12、碳-1和碳-14是碳元素的三种同位素，质量数分别为12、1和14。碳的原子序数为6，这意味着每个碳原子有6个质子，因此这些同位素的中子数分别为6、7和8。
同位素与核素核素是原子核中具有特定数量的质子和中子的原子种类，例如具有6个质子和7个中子的碳1。核素概念（指单个核素）强调核性质而不是化学性质，而同位素概念（将每种元素的所有原子分组）强调化学性质而不是核性质。中子数极大地影响核性质，但对于大多数元素来说，其对化学性质的影响可以忽略不计。即使对于最轻的元素，其中子数与原子序数之比在同位素之间变化最大，通常也只有很小的影响，尽管在某些情况下很重要（对于最轻的元素氢，同位素效应足以影响生物学强烈）。同位素一词（最初也是同位素元素，[4]现在有时是同位素核素[5]）旨在暗示比较（如同义词或异构体）。例如，核素C,16C,C是同位素（具有相同原子序数但不同质量数的核素[6]），但是氩气,K,钙是同量异位素（具有相同质量数的核素[7]）。然而，是较旧的术语，因此比核素更广为人知，并且有时仍用于核素可能更合适的环境中，例如核技术和核医学。
符号同位素和/或核素由特定元素的名称（表示原子序数）后跟连字符和质量数来指定（例如氦、氦4、碳12、碳14、铀-25和铀29）。[8]当使用化学符号时，例如“C”代表碳，标准符号（现在称为“AZE符号”，因为A是质量数，Z是原子序数，E是元素）表示质量数（核子数）在化学符号的左上角用上标表示，在左下角用下标表示原子序数（例如2他,42他,C,C,U，和U）。[9]因为原子序数是由元素符号给出的，所以通常只在上标中注明质量数而省略原子序数下标（例如他,4他,12C,14C,25U，和29U）。有时，字母m会附加在质量数后，表示核异构体、亚稳态或高能激发核态（与最低能量基态相反），例如米7塔（钽-m）。
AZE表示法的常见发音与书写方式不同：42他通常发音为氦四而不是四二氦，并且U作为铀二三十五（美式英语）或铀二三五（英式）而不是25-92-铀。
放射性同位素、原始同位素和稳定同位素一些同位素/核素具有放射性，因此被称为放射性同位素或放射性核素，而其他同位素/核素从未被观察到放射性衰变，因此被称为稳定同位素或稳定核素。例如，14C是碳的放射性形式，而12C和1C是稳定同位素。地球上大约有9种自然产生的核素，[10]其中种是原始核素，这意味着它们自太阳系形成以来就已经存在。
原始核素包括5种半衰期很长（超过1亿年）的核素和种被正式认为是“稳定核素”的核素，[10]，因为它们尚未被观察到衰变。在大多数情况下，出于明显的原因，如果一种元素具有稳定的同位素，那么这些同位素在地球和太阳系中发现的元素丰度中占主导地位。然而，就三种元素（碲、铟和铼）而言，自然界中发现的最丰富的同位素实际上是该元素的一种（或两种）寿命极长的放射性同位素，尽管这些元素具有一种或多种稳定的放射性同位素。同位素。
理论预测，许多表面上“稳定”的核素都是放射性的，半衰期极长（不考虑质子衰变的可能性，这将使所有核素最终不稳定）。理论上，一些稳定的核素在能量上容易受到其他已知形式的衰变的影响，例如α衰变或双β衰变，但尚未观察到衰变产物，因此这些同位素被认为是“观察上稳定的”。这些核素的预测半衰期往往大大超过宇宙的估计年龄，事实上，还有1种已知的放射性核素（参见原始核素）的半衰期比宇宙年龄长。
加上人工制造的放射性核素，目前已知的核素有9种。[11]其中包括种稳定或半衰期超过60分钟的核素。详细信息请参见核素列表。
历史放射性同位素年，放射化学家弗雷德里克·索迪(FrederickSoddy)基于对放射性衰变链的研究，首次提出同位素的存在，该研究表明，铀和铅之间存在约40种不同的放射性元素（即放射性元素），但元素周期表中只允许存在11种同位素。元素介于铅和铀之间。[12][1][14]
多次尝试用化学方法分离这些新的放射性元素都失败了。[15]例如，Soddy在0年证明，中钍（后来显示为Ra）、镭（Ra，寿命最长的同位素）和钍X（Ra）是不可能分离的。[16]将放射性元素放入元素周期表的尝试导致Soddy和KazimierzFajans于年独立提出了他们的放射性位移定律，大意是α衰变产生元素周期表左侧两个位置的元素，而β衰变发射在右侧生成一个元素。[17][18][19][20]索迪认识到，先发射一个α粒子，然后发射两个β粒子，导致形成一种化学性质与初始元素相同的元素，但质量轻四个单位，并且具有不同的放射性特性。
索迪提出，几种类型的原子（放射性性质不同）可以占据表中的相同位置。[14]例如，铀25的α衰变形成钍21，而锕20的β衰变形成钍20。[15]“同位素”一词在希腊语中意为“在同一地点”，[14]是苏格兰医生兼家庭朋友玛格丽特·托德在一次谈话中向索迪解释了自己的想法时向索迪提出的。[16][21][22][2][24][25]他因在同位素方面的工作而获得年诺贝尔化学奖。[26]
4年，TWRichards发现不同矿物来源的铅的原子量存在差异，这是由于不同放射性来源导致同位素组成的差异所致。[15][26]
稳定同位素稳定（非放射性）元素的多种同位素的第一个证据是由JJThomson于2年发现的，作为他对管射线（正离子）成分探索的一部分。[27][28]汤姆森通过平行的磁场和电场引导氖离子流，通过在其路径中放置照相板来测量它们的偏转，并使用后来被称为汤姆森抛物线法的方法计算它们的质荷比。每股水流在撞击的地方都会在盘子上形成一个发光的斑块。汤姆森在照相底片上观察到两个独立的抛物线光斑（见图），这表明存在两种具有不同质荷比的原子核。
FWAston随后使用质谱仪发现了多种元素的多种稳定同位素。9年，阿斯顿以足够的分辨率研究了氖气，结果表明这两个同位素质量非常接近整数20和22，并且都不等于氖气的已知摩尔质量(20.2)。这是阿斯顿同位素质量整数规则的一个例子，该规则指出元素摩尔质量与整数的较大偏差主要是由于该元素是同位素的混合物。阿斯顿在年同样证明，氯的摩尔质量(5.45)是两种同位素5Cl和7Cl的几乎积分质量的加权平均值。[29][0]
同位素之间性质的变化化学和分子特性中性原子具有与质子相同数量的电子。因此，给定元素的不同同位素都具有相同数量的电子并共享相似的电子结构。由于原子的化学行为很大程度上取决于其电子结构，因此不同的同位素表现出几乎相同的化学行为。
主要的例外是动力学同位素效应：由于质量较大，较重的同位素往往比同一元素的较轻的同位素反应慢一些。到目前为止，这对于氕来说最为明显（1H),氘(2H）和氚（H），因为氘的质量是氕的两倍，氚的质量是氕的三倍。[1]这些质量差异还通过改变原子系统的重心（减少的质量）来影响它们各自化学键的行为。然而，对于较重的元素，同位素之间的相对质量差要小得多，因此质量差对化学的影响通常可以忽略不计。（重元素也比轻元素具有相对更多的中子，因此核质量与集体电子质量的比率稍大。）还有平衡同位素效应。
类似地，仅原子同位素不同的两个分子（同位素体）具有相同的电子结构，因此几乎无法区分物理和化学性质（同样，氘和氚是主要例外）。分子的振动模式由其形状和组成原子的质量决定。因此不同的同位素体具有不同的振动模式组。由于振动模式允许分子吸收相应能量的光子，因此同位素体在红外范围内具有不同的光学特性。
核性质和稳定性另请参见：稳定核素、稳定同位素比、核素列表和按同位素稳定性列出的元素列表原子核由通过残余强力结合在一起的质子和中子组成。由于质子带正电，因此它们相互排斥。中子是电中性的，它以两种方式稳定原子核。它们的共存将质子稍微分开，减少了质子之间的静电斥力，并且它们对彼此和质子施加了吸引力核力。因此，两个或多个质子需要一个或多个中子才能结合成原子核。随着质子数量的增加，确保原子核稳定所需的中子与质子之比也随之增加（见右图）。例如，虽然中子：质子之比为2他为1:2，中子：质子比为U大于:2。许多较轻的元素具有稳定的核素，其比例为1:1(=)。核素钙(calcium-40)是观测到的最重的稳定核素，具有相同数量的中子和质子。所有比钙40重的稳定核素所含的中子多于质子。
每个元素的同位素数量在80种具有稳定同位素的元素中，观察到的任何元素的稳定同位素数量最多为10种（锡元素）。没有任何元素具有九或八种稳定同位素。5种元素有7种稳定同位素，8种元素有6种稳定同位素，10种元素有5种稳定同位素，9种元素有4种稳定同位素，5种元素有种稳定同位素，16种元素有2种稳定同位素（算起来）米7塔稳定），26种元素仅具有单一稳定同位素（其中19种是所谓的单核元素，具有单一原始稳定同位素，可控制并高精度固定自然元素的原子量；种放射性单核元素也会发生）。[2]总共有种核素尚未被观察到衰变。对于具有一种或多种稳定同位素的80种元素，稳定同位素的平均数量为每个元素/80≈.14个同位素。
偶数和奇数核子数主条目：偶数和奇数原子核质子：中子比并不是影响核稳定性的唯一因素。它还取决于其原子序数、中子数的偶数或奇数，以及它们的总和，即质量数。和的奇数往往会降低核结合能，从而使奇数核通常不太稳定。相邻原子核之间的核结合能的显着差异，尤其是奇同量异位素，具有重要的后果：具有非最佳中子或质子数量的不稳定同位素通过β衰变（包括正电子发射）、电子俘获或其他不太常见的衰变而衰变自发裂变和团簇衰变等模式。
大多数稳定核素是偶质子偶中子，其中所有数字、和都是偶数。奇稳定核素被（大致均匀地）分为奇质子偶中子核素和偶质子奇中子核素。稳定的奇质子奇中子核素是最不常见的。
偶数原子序数种偶质子、偶中子(EE)核素约占所有稳定核素的58%，并且由于配对而全部具有自旋0。还有24种原始长寿命偶偶核素。因此，从2到82的41个偶数元素中的每一个都至少具有一种稳定同位素，并且这些元素中的大多数都具有几种原始同位素。这些偶数元素中有一半具有六种或更多稳定同位素。由于2个质子和2个中子的双重配对，氦4具有极高的稳定性，可防止任何含有5个（52他,5李）或八个（84是）核子的存在时间足够长，可以作为通过恒星核聚变形成较重元素的平台（参见三重阿尔法过程）。
只有五个稳定核素同时含有奇数个质子和奇数个中子。前四种“奇-奇”核素出现在低质量核素中，将质子变为中子或反之亦然将导致质子-中子比非常不平衡（21H,6李,乙，和氮;旋转1,1,,1)。唯一的其他完全“稳定”的奇数核素，米7塔（自旋9），被认为是种稳定核素中最稀有的，并且是唯一的原始核异构体，尽管进行了实验尝试，但尚未观察到其衰变。[]
已知许多奇数放射性核素（例如钽的基态）的半衰期相对较短。通常，它们会β衰变为附近具有成对质子和成对中子的偶偶等量线。在九种原始奇数核素（五种稳定核素和四种半衰期长的放射性核素）中，只有氮是常见元素最常见的同位素。之所以如此，是因为它是CNO循环的一部分。核素6李和乙与其他轻元素相比，这些元素本身是稀有的少数同位素，而其他六种同位素仅占其元素自然丰度的很小一部分。
奇原子序数5种稳定核素具有偶数个质子和奇数个中子。与偶偶同位素相比，它们只是少数，偶偶同位素的数量约为偶偶同位素的三倍。在41种具有稳定核素的偶Z元素中，只有氩和铈两种元素没有偶奇稳定核素。一种元素（锡）有三种。有24种元素含有1个奇偶核素，1种元素含有2个奇偶核素。在5种原始放射性核素中，存在四种奇偶核素（见右表），包括裂变核素U。由于中子数为奇数，偶数核素往往具有较大的中子俘获截面，这是由于中子配对效应产生的能量所致。这些稳定的偶质子奇中子核素在自然界中的丰度往往并不常见，通常是因为，要形成并进入原始丰度，它们必须逃脱捕获中子以形成其他稳定的偶偶同位素。恒星核合成过程中的中子俘获过程和r过程。为此，仅铂和94是是其元素中最丰富的同位素。
48种稳定的奇质子偶中子核素，由成对中子稳定，形成奇数元素的大部分稳定同位素；其他核素由极少数奇质子奇中子核素组成。Z=1到81的奇数元素共有41种，其中9种具有稳定同位素（锝（4温度）和钷（61下午）没有稳定同位素）。在这9种奇数Z元素中，有0种元素（包括氢1，其中0个中子是偶数）具有一种稳定的奇偶同位素，还有九种元素：氯（17号氯),钾(19K），铜（29铜),镓(1嘎),溴(5溴），银（47银),锑(51锑),铱(77红外线）和铊（81铊），各有两个奇偶稳定同位素。这使得总共0+2(9)=48个稳定奇偶同位素。
还有五种原始长寿命放射性奇偶同位素，铷,在,15关于,欧洲联盟，和双。最后两个最近才被发现衰变，半衰期超过年。
奇中子数具有奇数中子数的锕系元素通常是可裂变的（具有热中子），而具有偶数中子数的锕系元素通常不会裂变，尽管它们可以通过快中子裂变。所有观测稳定的奇奇核素都具有非零整数自旋。这是因为，如果单个不成对的中子和不成对的质子的自旋对齐（产生至少1个单位的总自旋），而不是反对齐，则它们彼此之间具有更大的核力吸引力。请参阅氘来了解这种核行为的最简单情况。
仅有的铂,94是，和氮具有奇数中子，是其元素中最丰富的同位素。
自然界中的现象另请参阅：化学元素的丰度元素由一种核素（单核元素）或多种天然同位素组成。不稳定（放射性）同位素要么是原始同位素，要么是后原始同位素。原始同位素是恒星核合成或另一种核合成（例如宇宙射线散裂）的产物，并且一直存在到现在，因为它们的衰变速度非常慢（例如铀28和钾40）。后原始同位素是通过宇宙射线轰击产生的宇宙成因核素（例如氚、碳14），或通过放射性原始同位素衰变为放射性放射性核素子体（例如铀到镭）而产生。一些同位素通过其他一些自然核反应自然合成为成核核素，例如当自然核裂变产生的中子被另一个原子吸收时。
如上所述，只有80种元素具有稳定同位素，其中26种元素仅具有一种稳定同位素。因此，地球上大约三分之二的稳定元素以多种稳定同位素的形式自然存在，其中元素的稳定同位素数量最多为十种，例如锡（50锡）。地球上天然存在大约94种元素（最多包括钚），但有些元素的检测量非常小，例如钚。科学家估计，地球上自然存在的元素（有些只是放射性同位素）总共有9种同位素（核素）。[4]这些天然存在的核素中只有种是稳定的，也就是说迄今为止尚未观察到衰变。另外5种原始核素（总共种原始核素）具有放射性，半衰期已知，但半衰期超过1亿年，使它们从太阳系诞生之初就存在。详细信息请参见核素列表。
所有已知的稳定核素都自然存在于地球上；其他自然产生的核素具有放射性，但由于其半衰期相对较长或由于其他持续的自然生产方式而出现在地球上。这些包括前述宇宙成因核素、成核核素以及由原始放射性核素（例如来自铀的氡和镭）持续衰变形成的任何放射成因核素。
核反应堆和粒子加速器中还产生了约种自然界中未发现的放射性核素。许多在地球上自然不存在的短寿命核素也通过光谱分析观察到，它们是在恒星或超新星中自然产生的。铝26就是一个例子，它在地球上并不天然存在，但其含量却达到天文规模。
表格中元素的原子质量是平均值，说明了具有不同质量的多种同位素的存在。在发现同位素之前，凭经验确定的原子质量的非整数值让科学家们感到困惑。例如，氯样品含有75.8%氯5和24.2%氯7，平均原子质量为5.5原子质量单位。
根据普遍接受的宇宙学理论，只有氢和氦的同位素、锂和铍的一些同位素的痕迹，也许还有一些硼，是在大爆炸时产生的，而所有其他核素都是在后来的恒星和超新星中合成的，高能粒子（例如宇宙射线）与先前产生的核素之间的相互作用。（有关被认为负责同位素产生的各种过程的详细信息，请参阅核合成。）地球上同位素各自的丰度取决于这些过程形成的数量、它们在银河系中的传播以及不稳定同位素的衰变率。太阳系最初合并后，同位素根据质量重新分配，不同行星的元素同位素组成略有不同。有时这使得追踪陨石的起源成为可能。
同位素的原子质量同位素（核素）的原子质量（mr）主要由其质量数（即其原子核中的核子数）决定。小的修正是由于原子核的结合能（参见质量缺陷）、质子和中子之间质量的微小差异以及与原子相关的电子质量造成的，后者是因为同位素之间的电子：核子比率不同。
质量数是无量纲的量。另一方面，原子质量是使用基于碳12原子质量的原子质量单位来测量的。它用符号“u”（统一原子质量单位）或“Da”（道尔顿）表示。
元素天然同位素的原子质量决定了该元素的标准原子量。当元素含有N个同位素时，以下表达式适用于平均原子质量米￣?:
米￣?=米1?1+米2?2+。。。+米氮?氮
其中m1,m2,...,mN是每个同位素的原子质量，x1,...,xN是这些同位素的相对丰度。
同位素的纯化主条目：同位素分离存在多种利用给定元素的各种同位素特性的应用。同位素分离是一项重大的技术挑战，尤其是铀或钚等重元素。锂、碳、氮和氧等较轻元素通常通过其化合物（如CO和NO）的气体扩散来分离。氢和氘的分离很不寻常，因为它是基于化学性质而不是物理性质，例如在Girdler硫化物过程中。铀同位素已通过气体扩散、气体离心、激光电离分离和（在曼哈顿计划中）通过一种生产质谱法进行批量分离。
利用化学和生物特性主条目：同位素地球化学、宇宙化学和古气候学同位素分析是确定同位素特征，即特定样品中给定元素同位素的相对丰度。同位素分析通常通过同位素比质谱法进行。特别是对于生物物质，C、N和O同位素可能会发生显着变化。对此类变化的分析具有广泛的应用，例如检测食品中的掺假[5]或使用等景观来检测产品的地理起源。某些陨石起源于火星的鉴定部分基于其中所含微量气体的同位素特征。[6]
同位素取代可用于通过动力学同位素效应确定化学反应的机制。
另一个常见的应用是同位素标记，即在化学反应中使用不寻常的同位素作为示踪剂或标记物。[7]通常，给定元素的原子彼此无法区分。然而，通过使用不同质量的同位素，甚至不同的非放射性稳定同位素也可以通过质谱或红外光谱来区分。例如，在“细胞培养物中用氨基酸进行稳定同位素标记（SILAC）”中，稳定同位素用于定量蛋白质。如果使用放射性同位素，则可以通过它们发出的辐射来检测它们（这称为放射性同位素标记）。
同位素通常用于使用同位素稀释法测定各种元素或物质的浓度，其中将已知量的同位素取代的化合物与样品混合，并通过质谱法测定所得混合物的同位素特征。
核特性的利用与放射性同位素标记类似的技术是放射性测年：利用不稳定元素的已知半衰期，可以计算自已知同位素浓度存在以来已经过去的时间量。最广为人知的例子是用于确定碳质材料年龄的放射性碳测年法。
几种形式的光谱学依赖于特定同位素的独特核性质，包括放射性的和稳定的。例如，核磁共振（NMR）光谱只能用于具有非零核自旋的同位素。NMR光谱最常用的核素是1H、2D、15N、1C和1P。
穆斯堡尔光谱还依赖于特定同位素的核跃迁，例如57Fe。
放射性核素也有重要用途。核电和核武器的研制需要相对大量的特定同位素。核医学和放射肿瘤学分别利用放射性同位素进行医学诊断和治疗。
