# 同位素

> CIE A-Level 物理学 · AS 粒子物理学（第11单元）
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u11-isotopes/

本模块介绍同位素的定义、标准核素符号的使用方法，以及如何计算任意同位素的亚原子粒子数目，我们还会讲解考试中的常见误区。

**先修:** [原子结构和亚原子粒子](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u11-atomic-structure/)

## 学习目标

- 定义同位素，并区分它们的物理性质和化学性质
- 书写和解读同位素的标准核素符号
- 计算任意同位素的质子数、中子数和电子数

## 同位素的定义和核心性质

**同位素** — 同位素是同一种化学元素的核素，即原子核内质子数相同，但中子数不同。

*例:* 碳有两种常见同位素：碳-12（6个质子，6个中子）和碳-14（6个质子，8个中子）。

化学反应涉及原子的电子相互作用。对于中性原子，电子数等于质子数，因此同位素的化学性质完全相同。只能利用质量不同的物理方法分离它们，不能通过化学反应分离。

> **info**
>
> 同一种元素的同位素物理性质一定不同，包括质量、密度和稳定性都有差异。许多同位素具有放射性，其他则稳定。

**例题:** 中性氯有两种常见同位素：氯-35和氯-37。比较两种同位素的质子数、中子数和电子数。

1. 氯是第17号元素，因此所有氯同位素的质子数$Z=17$。质子数决定元素种类，因此两种的质子数相同：

   $$\text{Number of protons} = 17 \text{ for both}$$
2. 核子（质量）数$A = \text{protons} + \text{neutrons}$，整理得中子数 = $A - Z$
3. 计算氯-35（$A=35$）：

   $$\text{Neutrons} = 35 - 17 = 18$$
4. 计算氯-37（$A=37$）：

   $$\text{Neutrons} = 37 - 17 = 20$$
5. 对于中性原子，电子数等于质子数：

   $$\text{Electrons} = 17 \text{ for both}$$

## 同位素的核素符号

CIE考试始终使用标准核素符号表示同位素，因此你必须能够正确解读和书写这种符号。

**标准核素符号** — 表示同位素的标准格式：$A$ = 总核子数（质子 + 中子），$Z$ = 质子数，$X$ = 元素的化学符号。

*记法:* ^A_ZX

**例题:** 写出含10个中子的氧同位素的核素符号。

1. 氧的质子数恒为$Z=8$，因此这是下标数字。
2. 计算核子数：$A = Z + \text{neutrons} = 8 + 10 = 18$，这是上标数字。
3. 氧的化学符号是O，因此完整符号为：

   $$^{18}_{8}\text{O}$$

**概念自测**

测试你对符号的理解：

1. $^A_ZX$和$^B_ZX$表示什么？

   - 不同元素，中子数相同
   - 同一种元素的同位素
   - 不同元素，质量数不同
   - 同一种核素的不同写法

   *答案:* 同一种元素的同位素

   *解析:* 相同元素符号X意味着相同质子数Z，不同上标意味着不同质量，因此它们是同位素。

## 同位素的常见用途

同位素有许多实际应用，经常作为考试题目的背景。你需要记住的关键例子包括：碳-14用于放射性碳定年法，钴-60用于癌症放疗，铀-235用作核电燃料。

> **tip**
>
> 对于背景题，你只需要记住同位素化学性质相同，因此它们在生物/化学过程中行为一致，这就是它们可以用作示踪剂的原因。

**例题:** 解释为什么植物在光合作用过程中会从大气吸收碳-12和碳-14两种同位素。

1. 光合作用是依赖碳化学性质的化学反应。
2. 化学性质由电子排布决定，而电子排布由质子数决定。两种碳同位素质子数相同，因此化学性质完全相同。
3. 植物无法区分两种同位素，因此光合作用过程中都会被吸收并整合到植物组织中。

## 常见错误

- **错误做法:** 混淆A和Z，把下标数字当成中子数而不是质子数
  - 原因: 学生经常忘记标准核素符号中哪个数字对应哪个量
  - 正确做法: 记住：更大的数字（核子数）始终在上标，更小的数字（质子数）在下标。中子数 = 上标数字减下标数字。
- **错误做法:** 声称同一种元素的同位素化学性质不同
  - 原因: 学生混淆了物理性质差异和化学性质
  - 正确做法: 化学性质取决于电子排布，而电子排布和质子数一致，因此同位素化学性质完全相同，只有物理性质不同。
- **错误做法:** 认为同位素的电子数一定等于质子数
  - 原因: 题目经常问的是离子，不只是中性原子
  - 正确做法: 对于带$+n$电荷的离子，电子数 = $Z - n$；带$-n$电荷，电子数 = $Z + n$。
- **错误做法:** 认为不同同位素在元素周期表中占据不同位置
  - 原因: 很多学生记忆中元素周期表是按质量数排序的
  - 正确做法: 元素周期表是按质子数排序的，因此同一种元素的所有同位素都占据同一个位置。

## 速查表

| 性质 | 同一种元素的同位素 |
| --- | --- |
| 质子数（Z） | 相同 |
| 质子数目 | 相同 |
| 中子数目 | 不同 |
| 核子数（A） | 不同 |
| 电子数（中性原子） | 相同 |
| 化学性质 | 完全相同 |
| 质量/密度 | 不同 |
| 周期表位置 | 相同 |

## 下一步

理解同位素是所有核物理后续主题的基础概念，包括放射性衰变、核反应、质量亏损和结合能。你还会在解决半衰期问题、解读核反应方程，甚至化学中计算相对原子质量时用到这些知识。这个子主题在AS考试中几乎总是以1-2分的简单题出现，因此掌握它就能稳拿这些送分题。接下来，学习以下核心主题，构建你的核物理知识体系。

- [α、β和γ辐射](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u11-alpha-beta-and-gamma-radiation/)
- [放射性衰变](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u11-radioactive-decay/)

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