学习指南

同位素

CIE A-Level 物理学· 9702 Learning Outcome 11.1.2· 10 分钟阅读

1. 同位素的定义和核心性质★☆☆☆☆⏱ 3 min

📘 定义

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。

📐 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. 1

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

    Number of protons=17 for both\text{Number of protons} = 17 \text{ for both}
  2. 2

    核子(质量)数,整理得中子数 =

  3. 3

    计算氯-35():

    Neutrons=3517=18\text{Neutrons} = 35 - 17 = 18
  4. 4

    计算氯-37():

    Neutrons=3717=20\text{Neutrons} = 37 - 17 = 20
  5. 5

    对于中性原子,电子数等于质子数:

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

2. 同位素的核素符号★★☆☆☆⏱ 3 min

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。

📘 定义

标准核素符号

ZAX^A_ZX

表示同位素的标准格式: = 总核子数(质子 + 中子), = 质子数, = 元素的化学符号。

📐 例题

写出含10个中子的氧同位素的核素符号。

  1. 1

    氧的质子数恒为,因此这是下标数字。

  2. 2

    计算核子数:,这是上标数字。

  3. 3

    氧的化学符号是O,因此完整符号为:

    818O^{18}_{8}\text{O}
✓ 快速检测

测试你对符号的理解:

  1. 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

    显示答案
    1

    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。

3. 同位素的常见用途★★☆☆☆⏱ 4 min

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。

📐 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. 1

    光合作用是依赖碳化学性质的化学反应。

  2. 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. 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。

4. 常见陷阱

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:

对于带电荷的离子,电子数 = ;带电荷,电子数 =

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。

5. 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

6. 常见问题

同位素的化学性质相同吗?

是的。化学性质取决于电子排布,而电子排布和质子数一致,因此同一种元素的所有同位素化学性质完全相同。

为什么有些同位素具有放射性?

放射性来自原子核内不稳定的中子质子比。比例不平衡的同位素会发生放射性衰变,比例平衡的同位素则稳定。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

  • 2022 · 12

    从核符号中识别同位素

  • 2023 · 22

    计算碳同位素的中子数

深入阅读

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。