同位素是指具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)（因而質(zhì)量數(shù)不同）的同一化學(xué)元素的不同核素的互稱，在元素周期表中具有相同的原子序數(shù)和位置，如1H、2H、3H（它們的質(zhì)子數(shù)均為1，中子數(shù)分別為0、1、2）。同一種元素的所有組成核素互為同位素。同位素（包括放射性同位素）的化學(xué)性質(zhì)幾乎相同，但原子質(zhì)量和物理性質(zhì)不同。
同位素分為穩(wěn)定性同位素和放射性同位素兩種。穩(wěn)定的同位素原子核不自發(fā)地發(fā)生衰變，大多數(shù)的天然元素都是由幾種同位素組成的混合物。而具有放射性的同位素，其原子核會(huì)自發(fā)地發(fā)射α、β、γ等射線或粒子，同時(shí)自身發(fā)生變化，放出射線后生成新核素。
同位素的概念是由弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）于1910年提出的。同位素概念既證明了元素周期表的正確性，又修正了J.道爾頓（John Dalton）的原子學(xué)說。當(dāng)時(shí)認(rèn)為每種元素的原子，其性質(zhì)都是相同的，而同位素的出現(xiàn)則表明一種元素可以有幾種不同的原子。質(zhì)譜法建立以后，證明穩(wěn)定元素中普遍存在同位素現(xiàn)象。自19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)了放射性以后，到20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)的放射性元素已有30多種，而且證明，有些放射性元素雖然放射性顯著不同，但化學(xué)性質(zhì)卻完全一樣。
一些如氫、氮、碳等質(zhì)量輕的穩(wěn)定同位素廣泛作為示蹤原子，應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等研究領(lǐng)域；放射性同位素也基于其化學(xué)性質(zhì)或放射性物理特征，應(yīng)用遍及醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。
詞源
同位素isotope，來自希臘語，isos意思是“相同”，topos表示“地方”。這個(gè)名稱背后的含義就是同一個(gè)元素的不同核素處在元素周期表的同一位置。
歷史
放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和放射性元素的研究，開辟了核化學(xué)研究的新領(lǐng)域。1902年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）和弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）提出的元素嬗變理論打破了長期以來認(rèn)為化學(xué)元素不變的舊觀念。在研究放射性元素及其衰變產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些放射性元素同周期表中某些元素的化學(xué)性質(zhì)極其相似，甚至用任何化學(xué)方法都無法將它們分離。對(duì)此瑞典化學(xué)家斯特龍霍姆（D. Stromholm）和特奧多爾·斯韋德貝里（Theodor Svedberg）于1909年提出，這些化學(xué)性質(zhì)十分相似的元素在周期表中應(yīng)占據(jù)同一位置。
1910年，索迪針對(duì)此現(xiàn)象提出了一個(gè)假說，化學(xué)元素存在著原子質(zhì)量和放射性不同而其他物理化學(xué)性質(zhì)相同的變種，這些變種應(yīng)處于周期表的同一位置上，稱為同位素。隨后他將當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的37種放射性元素根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)分為10類，分別放入周期表中的相應(yīng)位置。索迪因?qū)Ψ派湫晕镔|(zhì)和同位素的研究于1921年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
1912年，約瑟夫·湯姆遜（Joseph John Thomson）利用磁場作用來測(cè)定的荷質(zhì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)氖有兩種同位素，其原子量分別為20和22，這是第一次發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的同位素。之后湯姆遜利用質(zhì)譜儀從其他70多種元素中發(fā)現(xiàn)了200多種同位素。
為了進(jìn)一步研究各種元素的同位素，J.J.湯姆孫的學(xué)生弗朗西斯·阿斯頓（Francis William Aston）于1919年發(fā)明了質(zhì)譜儀，它利用電場和磁場的作用，可以把不同原子量的同位素區(qū)分開來，并測(cè)定其原子量和豐度（相對(duì)含量）。
借助質(zhì)譜儀，到1922年阿斯頓已研究了30多種元素，發(fā)現(xiàn)它們大多數(shù)都是由兩種以上同位素組成的混合物，并由此發(fā)現(xiàn)了元素原子量的整數(shù)規(guī)則，阿斯頓也由此獲得1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)過幾年的努力，運(yùn)用不斷被改進(jìn)而日益精確的質(zhì)譜儀，阿斯頓在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素，原子量的整數(shù)規(guī)則更清楚了。
哈羅德·尤里（Harold Clayton Urey）一直致力于尋找氫的同位素，他設(shè)法使液態(tài)氫在低溫下氣化，使不能氣化部分的重氫得以濃縮，終于使他于1931年獲得了重氫的樣品，光譜分析證明了重氫的存在。進(jìn)一步的研究使他認(rèn)識(shí)到重氫的某些性質(zhì)明顯地不同于普通氫，他建議將重氫命名為，原子量為2。后來又發(fā)現(xiàn)原子量為3的氫同位素，并將其命名為。哈羅德·尤里因發(fā)現(xiàn)重氫獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
1932年詹姆斯·查德威克（Chadwick）發(fā)現(xiàn)中子，由此認(rèn)識(shí)到原子核由中子和質(zhì)子組成，同位素就是一種元素的質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的幾種原子。由于質(zhì)子數(shù)相同，同位素核電荷和核外電子數(shù)相同，并具有相同電子層結(jié)構(gòu)。因此，同位素的化學(xué)性質(zhì)基本相同，但由于它們的中子數(shù)不同，不同同位素的原子質(zhì)量有所不同，原子核的某些物理性質(zhì)（如放射性等）也不盡相同。
1933年，G.N.路易斯（G. N. Lewis）等用電解法制得純重水。
喬治·德海韋西（George Charles de Hevesy）在歐內(nèi)斯特·盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特研究所工作時(shí)，利用放射性元素和它的同位素之間的化學(xué)一致性，設(shè)計(jì)出一個(gè)精巧的方法，用放射性同位素作為示蹤原子，運(yùn)用靈敏的測(cè)定放射性的儀器來追蹤其在化學(xué)過程中的蹤跡。赫韋希將此方法用于研究生物學(xué)過程的機(jī)理，使生理化學(xué)研究發(fā)生了一場革命；而將它用于有機(jī)化學(xué)研究，可以闡明反應(yīng)過程，具有十分重要的意義。因此，赫韋希獲得了1943年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
1942年，美國建造了電磁分離器并分離出-235；1943年，美國又建立了三座六氟化鈾氣體擴(kuò)散工廠生產(chǎn)鈾-235；1944年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室首先生產(chǎn)了千克量的鈾-235，并制造了第一顆原子彈。
威拉得·利比（Willard Frank Libby）在歐內(nèi)斯特·盧瑟福用巖石中積累的放射性衰變產(chǎn)物來確定巖石年齡的建議啟發(fā)下，尋找到“14C紀(jì)年測(cè)定法”。1950年利比用該技術(shù)測(cè)得的金字塔建造年代，和歷史文獻(xiàn)記載的年代相符。1951年他又測(cè)定了1000個(gè)考古樣品，同樣獲得成功。此后這一方法除了應(yīng)用于考古文物的年代鑒定外，還應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)，海洋學(xué)及地球物理學(xué)方面的時(shí)間測(cè)定。由于這一重要成就，利比榮獲1960年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
截至2021年，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的約118種元素中，只有20種元素未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多數(shù)的天然元素都是由幾種同位素組成的混合物。截至2021年，所發(fā)現(xiàn)的天然同位素339種，其中穩(wěn)定同位素有288種，放射性同位素51種，而人工合成的同位素逾三千種，均為放射性同位素。
性質(zhì)
化學(xué)性質(zhì)
決定元素化學(xué)性質(zhì)的是質(zhì)子數(shù)（或核外電子結(jié)構(gòu)），而不是原子質(zhì)量數(shù)。同位素核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，因此幾乎所有同位素（包括放射性同位素）的化學(xué)性質(zhì)基本一致，故其生物化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)也基本一致。
物理性質(zhì)
同位素原子核內(nèi)中子數(shù)不同，致使其原子量及物理性質(zhì)有所不同。同位素的熱力性質(zhì)存在差異；不同同位素形成的物質(zhì)的黏度、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)及偶極矩等物理性質(zhì)也不相同；同位素的光譜位移也是由原子核質(zhì)量不同引起的。
穩(wěn)定性
放射性同位素的原子核不間斷地、自發(fā)地放射出射線，直至變成另一種穩(wěn)定同位素的過程稱為“核衰變”。放射性同位素在進(jìn)行核衰變的時(shí)候，可放射出α射線、β射線、γ射線和電子俘獲等，但并不一定能同時(shí)放射出這幾種射線。核衰變的速度不受溫度、壓力，電磁場等外界條件的影響，也不受元素所處狀態(tài)的影響，只和時(shí)間有關(guān)。放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期越長，說明衰變得越慢，半衰期越短，說明衰變得越快。半衰期是放射性同位素的一個(gè)特征常數(shù)，不同的放射性同位素有不同的半衰期，其衰變的時(shí)候放射出射線的種類和數(shù)量也不同。
原子核的穩(wěn)定性與原子核的平均結(jié)合能有密切關(guān)系。平均結(jié)合能越高，核就越穩(wěn)定。從下圖中可以看出，原子核的穩(wěn)定性隨質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的變化出現(xiàn)周期性的變化規(guī)律。
在大部分常見的輕元素中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)是相等的，如，。另外，單質(zhì)子結(jié)構(gòu)元素也是穩(wěn)定的（如1H）。隨著質(zhì)量數(shù)的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)增加得快。這是因?yàn)?a href="/hebeideji/7298235943525072905.html">質(zhì)子帶電，要使帶電的質(zhì)子結(jié)合在一起，核力必須要克服庫侖斥力，所以需要更多的中子。在重元素中，中子數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過質(zhì)子數(shù)，比如，的中子數(shù)為146，而質(zhì)子數(shù)僅為92，但它卻是最重的穩(wěn)定元素。對(duì)于部分輕元素，中子數(shù)少量過剩可能是穩(wěn)定的，如；但對(duì)于其他元素，過剩的中子或質(zhì)子會(huì)引起不穩(wěn)定，如和。
另外，穩(wěn)定的核素具有偶-奇規(guī)則。一般具有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子和（或）中子數(shù)的原子核是較穩(wěn)定的。在經(jīng)過統(tǒng)計(jì)的274個(gè)穩(wěn)定核素中，165個(gè)核素具有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子（Z）和偶數(shù)個(gè)中子（N），53個(gè)具有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子和奇數(shù)個(gè)中子，50個(gè)有奇數(shù)個(gè)質(zhì)子和偶數(shù)個(gè)中子，僅6個(gè)穩(wěn)定核素具有奇數(shù)個(gè)質(zhì)子和奇數(shù)個(gè)中子。也就是說，同時(shí)具有奇數(shù)個(gè)質(zhì)子和奇數(shù)個(gè)中子的穩(wěn)定核素是罕見的。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，具有某些數(shù)目的質(zhì)子和中子的核素異常穩(wěn)定，并且有較大的豐度，這些數(shù)目被稱為幻數(shù)（magic number）。它們是2，8，10，14，20，28，50，82和126。例如，Ca的質(zhì)子數(shù)是20，有5個(gè)穩(wěn)定的同位素40Ca，42Ca，44Ca，46Ca和48Ca。它們都有偶數(shù)個(gè)中子。40Ca的質(zhì)子和中子數(shù)都是幻數(shù)，它的同位素豐度是96.94%。
大多數(shù)核素是不穩(wěn)定的，這些不穩(wěn)定的核素會(huì)自發(fā)地向其他核素衰變。下圖是核素的穩(wěn)定帶。如果把它想象成一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)核素的穩(wěn)定帶就表示一個(gè)能量域。這個(gè)穩(wěn)定帶之外的所有核素都具有高的能量，不穩(wěn)定。
如果將不穩(wěn)定的核素看做是不穩(wěn)定的原子，這些原子是處于高能態(tài)位置。處于激發(fā)態(tài)的原子就會(huì)自發(fā)地向低能量級(jí)轉(zhuǎn)變并以光或光子的形式將能量釋放出來，直到成為穩(wěn)定的核素，放射性衰變才會(huì)結(jié)束。在同位素地球化學(xué)中，放射性同位素被稱為親本（parent），由衰變而形成的核素稱子代（daughter）。由放射性同位素衰變形成的穩(wěn)定同位素產(chǎn)物，稱為放射性成因同位素（radiogenic isotope）。
原子質(zhì)量
原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子數(shù)（Z）與中子數(shù)（N）之和是原子核的質(zhì)量數(shù)（A），即A=Z+N。
同位素的許多重要性質(zhì)取決于其質(zhì)量。質(zhì)量數(shù)（A）約等于所謂的原子質(zhì)量單位（amu）尺度上測(cè)量的質(zhì)量。同位素的實(shí)際測(cè)量質(zhì)量和A之間的數(shù)值差異稱為質(zhì)量過剩或質(zhì)量缺陷（符號(hào)Δ）。
電荷數(shù)Z和質(zhì)量數(shù)A是標(biāo)志原子核特征的兩個(gè)重要物理量。A為奇數(shù)的原子核是自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子，服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律；A為偶數(shù)的原子核是自旋為整數(shù)的玻色子，服從薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于輕核，中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)近乎相等；對(duì)于重核，中子數(shù)約為質(zhì)子數(shù)的1.5倍，這是由核子之間作用力的性質(zhì)所決定的。
原子核的質(zhì)量與原子的質(zhì)量（包括原子核的質(zhì)量和核外各電子的質(zhì)量）相差極小，因此常用原子的質(zhì)量來表示相應(yīng)原子核的質(zhì)量。在原子核物理中，通常情況下，不用國際單位制中的千克去度量原子核的質(zhì)量，而是采用特殊的“原子質(zhì)量單位”。規(guī)定碳的同位素處于基態(tài)時(shí)的靜止質(zhì)量的1/12作為一個(gè)“原子質(zhì)量單位”，以u(píng)表示，即
或按照阿爾伯特·愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系表示，即
式中1MeV=1×106eV，1eV=1.60217733×10-19J。
原子的質(zhì)量以“原子質(zhì)量單位”計(jì)量時(shí)都接近于某一個(gè)整數(shù)，這個(gè)整數(shù)就是該原子的原子核質(zhì)量數(shù)A。中子的質(zhì)量為mn=1.008664904 u。
要說明的是，原子質(zhì)量M（Z，A）與原子核質(zhì)量m（Z，A）是不同的。主要是相差了核外的電子質(zhì)量以及與原子結(jié)合能Be（Z）對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，即。
例如，對(duì)于氫原子，我們有，則。
同位素表示方法
同位素書寫方式
質(zhì)子數(shù)（Z）與中子數(shù)（N）之和是原子核的質(zhì)量數(shù)（A），即A=Z十N。將具有特定核結(jié)構(gòu)的原子稱為核素，用符號(hào)來表示，其中X為代表原子所屬的化學(xué)元素。因?yàn)橐环N元素的化學(xué)性質(zhì)主要取決于原子中的電子數(shù)，所以原子序數(shù)Z就表示了該元素的特性。因此單獨(dú)用X就可以表示一種元素。
同位素比值（R）
同位素比值（R）是指某一元素的重同位素豐度與輕同位素豐度之比。例如，18O與16O的比值大約為0.00204。同位素分餾效應(yīng)使含氧化合物的這個(gè)比值發(fā)生微小的改變，但僅限于小數(shù)點(diǎn)的第五位或第六位，所以采用R值的表達(dá)很不方便。另外，測(cè)量絕對(duì)的同位素比值或豐度并非易事，需要相當(dāng)精密的質(zhì)譜儀。而且這種絕對(duì)值的測(cè)定結(jié)果在不同實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比方面會(huì)出現(xiàn)許多問題。通常，研究者所關(guān)注的是對(duì)比穩(wěn)定同位素濃度的變化，而不是實(shí)際的豐度值。因此，可以采用更為簡單易行的方法來研究同位素含量的變化。在實(shí)際工作中，通常采用樣品的δ值來表示樣品的同位素組成。
δ值
δ值是指樣品的同位素比值（RA）相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣的同位素比值（Rr）的千分偏差，記為
以氧同位素為例，
當(dāng)δ值為正時(shí)，表明樣品比標(biāo)準(zhǔn)樣富集重同位素；當(dāng)δ值為負(fù)時(shí)，表明樣品比標(biāo)準(zhǔn)樣富集輕同位素。樣品的δ值可通過質(zhì)譜儀直接測(cè)得。只是樣品的δ值與所選用的標(biāo)準(zhǔn)樣有關(guān)，根據(jù)國際上的規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室給出的δ值必須采用統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。
同位素的產(chǎn)生
同位素可以自然產(chǎn)生，也可以人工生產(chǎn)。
天然同位素的產(chǎn)生主要有三類：其一是自太陽系誕生以來便存在的原始核素（包括所有穩(wěn)定核素和一些半衰期極長的放射性核素），在地球形成和演化的過程中，元素通過核反應(yīng)和聚合過程形成。在大爆炸后的高溫環(huán)境下，中子與質(zhì)子結(jié)合形成了各種元素，其中一些元素由于中子數(shù)量的不同而產(chǎn)生了同位素。其二是放射性核素衰產(chǎn)生新的核素。其三是宇宙射線與大氣、海洋和陸地等的核素原子核相互作用產(chǎn)生的宇生放射性核素。
人工放射性同位素制備大體有三種方法：在核反應(yīng)堆中生產(chǎn)，用于制備豐中子同位素，簡稱堆照同位素；用帶電粒子加速器制備，多用于貧中子同位素生產(chǎn)，簡稱加速器同位素；從核燃料后處理料液中分離提取同位素，這種同位素通常稱為裂片同位素。
放射性同位素的生產(chǎn)涉及到幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的活動(dòng)，包括靶的制作、靶的輻照、運(yùn)輸輻照靶至處理設(shè)施、在密封源中進(jìn)行放射化學(xué)處理或封裝、質(zhì)量控制、運(yùn)輸至終端用戶。在反應(yīng)堆中的放射性同位素生產(chǎn)是基于靶材料里的中子俘獲，通過用熱中子轟擊來激發(fā)或產(chǎn)生來自靶材料裂變的放射性同位素。全世界80%的診斷醫(yī)學(xué)掃描都依賴于放射性同位素-99及其子體產(chǎn)物-99m，目前這兩種物質(zhì)僅能在研究堆中生產(chǎn)。
同位素分離和富集
同位素分離和富集是指利用同位素效應(yīng)將特定的同位素進(jìn)行分離、濃縮，或把其中某種同位素的濃度相對(duì)提高的過程。同位素的物理化學(xué)性能雖極為相似，但核性質(zhì)卻截然不同，在中核集團(tuán)和其他科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)各有其特殊用途，故需對(duì)同一元素中不同的同位素進(jìn)行分離和富集。同位素分離和富集的方法很多，例如輕同位素氫、氘；6Li、7Li和10B、11B等，由于相對(duì)質(zhì)量差較大，可采用蒸餾法、同位素交換法、電解法等；而重同位素如235U、238U則由于相對(duì)質(zhì)量差小，可采用氣體擴(kuò)散法、離心法、化學(xué)法、激光分離法等進(jìn)行分離。
同位素效應(yīng)
由不同的同位素組成的分子之間存在相對(duì)質(zhì)量差，這種質(zhì)量差異所引起的該分子在物理和化學(xué)性質(zhì)上的差異，稱之為同位素效應(yīng)（Isotope Effect）。經(jīng)典化學(xué)理論認(rèn)為，元素的電子結(jié)構(gòu)基本上決定了元素的化學(xué)性質(zhì)，原子核的結(jié)構(gòu)則在某種程度上決定了元素的物理性質(zhì)。由于某種特定元素的所有同位素具有相同的電子數(shù)和電子結(jié)構(gòu)，因此可推斷它們具有極為相似的物理和化學(xué)性質(zhì)。
自從哈羅德·尤里等首次發(fā)現(xiàn)氫同位素以來，人們已通過統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法和實(shí)驗(yàn)方法確定了H、C、N、O、S以及其他元素的不同同位素之間微小的化學(xué)性質(zhì)的差異。也正是同位素之間化學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)中明顯的同位素效應(yīng)。
分類
同位素分為放射性同位素和穩(wěn)定性同位素兩種，前者具有放射性，其原子核會(huì)自發(fā)地發(fā)射α、β、γ等射線或粒子，同時(shí)自身發(fā)生變化；后者的原子核不會(huì)自發(fā)地發(fā)生衰變。氧-16、氧-17和氧-18是氧的三個(gè)同位素，（1H）、氘（D，2H）和氚（T，3H）是氫的三個(gè)同位素，鈾-235和鈾-238是鈾的兩個(gè)天然同位素。
穩(wěn)定性同位素（stableiso-tope）
原子核不自發(fā)地發(fā)生衰變的同位素。1913年湯姆遜（Thom-son）發(fā)現(xiàn)了氖的兩個(gè)穩(wěn)定同位素氖-20和氖-22。之后利用質(zhì)譜儀從其他70多種元素中發(fā)現(xiàn)了200多種同位素。到截至2021年，在已發(fā)現(xiàn)的約118種元素中，只有20種元素未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的同位素。大多數(shù)的天然元素都是由幾種同位素組成的混合物。截至2021年，所發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素均為天然同位素，在所有的339種天然同位素中，穩(wěn)定同位素占288種。其中，錫（Sn,Z=50）擁有10種穩(wěn)定同位素，是所有元素中穩(wěn)定同位素?cái)?shù)量最多的。
放射性同位素（radioisotope）
具有放射性的同位素，其原子核會(huì)自發(fā)地發(fā)射α、β、γ等射線或粒子，同時(shí)自身發(fā)生變化，放出射線后生成的新核素。放射性同位素包括有天然存在的天然放射性同位素和人工制造的人工放射性同位素兩種。反應(yīng)堆和加速器是放射性同位素制備的主要方式。核反應(yīng)堆主要生產(chǎn)豐中子同位素，帶電粒子加速器則主要生產(chǎn)缺中子同位素，另外，乏燃料后處理過程中可分離提取裂變產(chǎn)物中的同位素。
應(yīng)用
基于同位素效應(yīng)特性，同位素廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、資源、環(huán)境、軍事和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。在很多應(yīng)用場合，放射性同位素技術(shù)尚無可替代方法；同時(shí)在很多其他應(yīng)用場合，它要比現(xiàn)有可替代的技術(shù)更有效和經(jīng)濟(jì)。
示蹤領(lǐng)域
同位素的化學(xué)性質(zhì)近似，是同位素示蹤方法的依據(jù)。穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)與同位素分析技術(shù)都以同位素的質(zhì)量差異為目標(biāo)，分離方法和分析方法取得了較大突破，氫、氮、碳、氧、硫等輕元素的穩(wěn)定同位素則廣泛作為示蹤原子，用于研究化學(xué)和生物化學(xué)的各種過程和機(jī)制，以及分子的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等重要問題。相對(duì)于放射性同位素示蹤技術(shù)，穩(wěn)定性同位素作為示蹤劑其靈敏度較低，可獲得的種類少，價(jià)格較昂貴，其應(yīng)用范圍受到一定的限制。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是放射性同位素應(yīng)用的最重要領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)上放射性同位素主要用于診斷和治療，另外還包括醫(yī)療用品消毒、藥物作用機(jī)制研究和生物醫(yī)學(xué)研究。核素顯像診斷包括γ相機(jī)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（SPECT）、正電子發(fā)射斷層掃描成像（PET）。放射免疫分析方法在體外對(duì)患者體液中生物活性物質(zhì)進(jìn)行微量分析，能夠快速有效地進(jìn)行疾病的體外診斷核素治療包括開放性放射性核素和密封放射性核素兩類，前者如甲亢和甲癌治療用的碘-131，后者如腔內(nèi)近距離后裝照射（銀-192）、放射性核素微粒腫瘤組織間定向植入的短程照射和介入照射等，以及遠(yuǎn)距離的鉆-60照射等。放射免疫的靶向治療、受體介導(dǎo)的靶向治療、放射性核素基因治療的研究等頗受重視。放射性同位素標(biāo)記和示蹤技術(shù)是目前從細(xì)胞水平進(jìn)入到分子水平，對(duì)活體顯示人體結(jié)構(gòu)和病理變化的唯一方法，是基因、核酸、蛋白質(zhì)、疾病發(fā)病機(jī)制與正確診斷研究的重要方法。
工業(yè)領(lǐng)域
放射性同位素在工業(yè)上有著廣泛應(yīng)用，放射性同位素儀表即核儀表如料位計(jì)、密度計(jì)、測(cè)厚儀、核子秤、水分計(jì)、γ射線探傷機(jī)、集裝箱檢測(cè)和離子感煙火災(zāi)報(bào)警器等可用來監(jiān)控生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，成分分析，以及探知火情等。放射性同位素探測(cè)技術(shù)廣泛用于石油、化工、冶金、水利水文等部門，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。輻射加工技術(shù)在交聯(lián)線纜、熱縮材料、表面固化、醫(yī)療用品消毒以及食品輻照保藏等領(lǐng)域普遍使用并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。利用放射性同位素的衰變能可以制造放射性同位素電池，可作為深空探索的電源。
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
放射性同位素在農(nóng)業(yè)上同樣有著廣泛應(yīng)用，輻射突變育種成就突出，特別是糧、棉、油等作物輻照新品種培育及推廣取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。放射性同位素示蹤在農(nóng)業(yè)中也有多方面的應(yīng)用，如肥料與農(nóng)藥的效用和機(jī)制、有害物質(zhì)的分解與殘留探測(cè)、畜牧獸醫(yī)研究和生物固氮、家畜疾病診斷及其妊娠預(yù)測(cè)研究等；也常用到堤壩和水庫泄漏的檢測(cè)等。通過輻射可致昆蟲不育，使昆蟲喪失生殖能力，達(dá)到防治甚至根除害蟲的目的。食品輻照可控制微生物引起的食品腐敗和食物中毒的傳播。
地球化學(xué)領(lǐng)域
地球化學(xué)領(lǐng)域，在放射性衰變定律和核反應(yīng)理論基礎(chǔ)上，通過自然界放射性同位素組成的測(cè)定和研究，創(chuàng)立了放射性同位素定年技術(shù)方法，使地質(zhì)學(xué)家能夠準(zhǔn)確地確定巖石形成年齡，了解地球發(fā)展和演化的時(shí)間順序，并不斷改進(jìn)已有定年方法及補(bǔ)充新的地質(zhì)時(shí)鐘，開辟了追索和辨識(shí)地質(zhì)體的物質(zhì)來源、形成過程和機(jī)制的有效途徑。還可以提供成巖、成礦作用的多方面信息，為探索礦床成礦物質(zhì)來源、成因及形成機(jī)制提供依據(jù)。
核工業(yè)領(lǐng)域
核工業(yè)領(lǐng)域中，可以用作能源的核反應(yīng)有兩類：重元素（鈾、、钚）原子核的裂變反應(yīng)；輕元素（氘、氚）原子核的聚變反應(yīng)。核能是原子核結(jié)構(gòu)變化而釋放出來的能量。由于核子（中子和質(zhì)子）之間結(jié)合緊密程度遠(yuǎn)大于原子之間的結(jié)合程度，因此，核反應(yīng)釋放出的能量要比化學(xué)反應(yīng)大幾百萬倍。聚變反應(yīng)釋放巨大能量已應(yīng)用于氫彈。和平利用的可控聚變反應(yīng)堆正在世界范圍內(nèi)開發(fā)研究，目前尚未達(dá)到可以應(yīng)用的程度，據(jù)預(yù)計(jì)，大約要到21世紀(jì)50年之后才有可能工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，例如，把海水中蘊(yùn)藏的氘利用起來，通過聚變反應(yīng)堆為人類提供核能源。2023年6月，全球最新、規(guī)模最大的核聚變反應(yīng)堆JT-60SA成功點(diǎn)火，離商業(yè)化運(yùn)營更近了一步。裂變能除首先應(yīng)用于制造原子彈之外，可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)用作民用能源，從1954 年蘇聯(lián)建成運(yùn)行電功率為5MW的奧布寧斯克實(shí)驗(yàn)性核電站以來，已在世界各國推廣應(yīng)用，并在若干國家成為主要能源。
同位素列表
同位素豐度
同位素豐度又稱同位素相對(duì)豐度，其定義為自然界中存在的某一元素的各種同位素的相對(duì)含量（以原子百分計(jì)）。地球上元素的同位素豐度只是指它們?cè)?a href="/hebeideji/7307099937186382325.html">地殼中的含量，例如，氧的同位素豐度：16O=99.76%，17O=0.04%，18O=0.20%。一般在低原子序數(shù)（Z<28）的元素中，只有一種同位素（多數(shù)為輕同位素）的豐度最大，其余同位素的豐度較小。在高原子序數(shù)（Z>28）的元素中，各種同位素的豐度分布趨于相近。豐度最大的同位素是質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)均為偶數(shù)的偶核對(duì)應(yīng)的同位素。地球和石隕石物質(zhì)90%以上是由Z為偶數(shù)的元素構(gòu)成，地殼中分布最廣的穩(wěn)定同位素是偶Z和偶N的同位素。中子或質(zhì)子數(shù)為2、8、20、28、50、82和126等幻數(shù)原子核具有特殊的穩(wěn)定性和較大的豐度。同位素豐度與原子核的穩(wěn)定性有關(guān)。
同位素豐度通常只包含穩(wěn)定同位素，如氫有99.9885%的氫-1和0.0115%的氫-2，合起來100%，不包含放射性同位素氫-3。如果不穩(wěn)定同位素的半衰期足夠長，則也可能提供其豐度，如鉀-40（半衰期將近13億年）的豐度為0.0117%。地殼元素中同位素的豐度通常是一定的，但是由于成因的不同（放射性衰變的存在），豐度可能會(huì)有變化。例如，富含鈾-238的礦物中鉛-206的豐度比較大，而鉛-208豐度比較大的通常出現(xiàn)在富集釷-232的礦物中。此外，也可以人為地改變同位素的豐度，比如同位素分離。普通鈾礦中鈾-235的豐度一般為0.7%，核能發(fā)電中常用鈾-235的豐度大約為3%，而核彈中鈾-235的豐度高達(dá)90%以上。同位素豐度的測(cè)定采用質(zhì)譜儀。
在自然界中，同位素的相對(duì)濃度是變化的。這種現(xiàn)象的存在有兩個(gè)原因：
（1）同位素元素的化學(xué)和物理性質(zhì)并不完全相同，導(dǎo)致含有同位素的分子的化學(xué)和物理性質(zhì)有微小區(qū)別，最終導(dǎo)致同位素豐度不同；
（2）如果同位素是放射性的，則在放射性衰變過程中同位素分子的濃度逐漸減少，這會(huì)使同位素濃度差比第1種原因中所提到的那種情況更大。
同位素豐度列表
相關(guān)概念
原子核內(nèi)基本粒子的組成與數(shù)量對(duì)核素性質(zhì)及其應(yīng)用有決定性作用，故根據(jù)原子核內(nèi)基本粒子不同方式組合，不同類型但有一定“相似性”的原子有單獨(dú)的稱謂。
核素
核素（nuclide）是具有一定數(shù)量質(zhì)子、中子、核電荷、質(zhì)量、能態(tài)，平均壽命足以被觀察到的同類原子的統(tǒng)稱。核素的內(nèi)涵與元素、同位素有交叉，一般元素或同位素包括同一基本屬性的所有核素，核素只是其中一種類型的原子。如碳-11、碳-13和碳-14與日常生活中的碳-12具有同樣數(shù)目的質(zhì)子（6個(gè)），均屬于碳元素，但卻是4種不同的核素，互稱為碳的同位素。
同質(zhì)異能素
同質(zhì)異能素（isomer）原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)相同，但處于不同核能態(tài)的核素。通常在核素化學(xué)符號(hào)右上角加“m”表達(dá)，如113Inm是113In的同質(zhì)異能素。在核醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，為了方便，通常將“m”直接寫在原子質(zhì)量數(shù)后，如99mTc.
同質(zhì)異能素是放射性核素的一種特殊存在方式。與其他放射性核素不同，同質(zhì)異能素原子核內(nèi)一個(gè)或幾個(gè)基本粒子處于高能激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)的能量源于其他形式的衰變或核反應(yīng)，受與基態(tài)時(shí)核內(nèi)粒子自旋方面差異的影響，受激原子不能立即將多余能量直接釋出，而是保持一段時(shí)間，再以γ射線形式釋出多余能量，或通過同質(zhì)異能躍遷方式，將激發(fā)能量轉(zhuǎn)移給內(nèi)層軌道電子，使電子退激能量脫離原子，稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子（internal conversi-on electron）。
同中素
同中素（isotone）：又稱同中子異位素、同中子異荷素，即中子數(shù)相同、質(zhì)子數(shù)不同的一類核素。
同量異位素
同量異位素（等壓線）：即質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)不同，但原子質(zhì)量數(shù)相同的一類核素。
參考資料 >
什么是同位素.IAEA.2023-12-02
同位素 .《中國大百科全書》第三版網(wǎng)絡(luò)版.2023-12-02
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1901-2023|歷屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主及成果回顧.微信公眾平臺(tái).2024-03-11
同位素化學(xué) - 《中國大百科全書》第三版網(wǎng)絡(luò)版.《中國大百科全書》第三版網(wǎng)絡(luò)版.2023-12-02
研究堆放射性同位素生產(chǎn).國際原子能機(jī)構(gòu).2024-05-19
核輻射的主要來源有哪些?.四川大學(xué)物理學(xué)院.2024-05-22
[輻射防護(hù)]放射性物質(zhì)的來源是什么?.國家核安全局.2024-05-22
同位素的重要性.國家核安全局.2024-05-19
同位素富集.術(shù)語在線.2024-05-19