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什么是同位素？

原子由电子云围绕着致密的原子核构成，原子核比原子核小十万倍，由质子和中子组成。质子的数量（即原子序数“Z”）决定了元素的性质；例如，锶原子核始终有38个质子，铷原子核始终有37个质子。原子核周围有相同数量的电子，使原子保持电中性，这些电子决定了元素的化学性质——使像氯化锶（SrCl2 ）这样的分子能够由单个锶原子和氯原子形成键。

同位素是指同一元素的原子具有相同数量的质子（即原子序数“Z”），但中子数量不同，这意味着它们的质量数“A”会发生变化。以氢为例，它有三种天然同位素——1H、2H和3H。氢-1，或称氕，是最普遍的氢同位素，占氢原子总数的99.98%，并且不含中子。氢-2和氢-3分别含有一个和两个中子，通常是人造的。氢还有另外四种人造同位素（4H至7H），它们极不稳定。

另一个具有众多同位素的元素是锶。虽然大多数（82.58%）锶原子有50个中子，但其他一些锶原子有44到52个中子，但它们仍然是锶，因为它们有38个质子。

同位素符号

同位素的表示方法多种多样。最常见的方法是，用特定元素的名称或符号，紧接着连字符和质量数（例如碳-14或C-14）来表示。同位素也可以用标准符号（AZE）来定义，其中A代表质量数，Z代表原子序数，E代表元素符号。质量数“A”用化学符号“E”左侧的上标表示，而原子序数“Z”用下标表示。

但是，由于原子序数“Z”始终可以通过化学符号确定，因此通常只说明质量数（例如，14 C），并将其发音为“碳十四”。如果字母“m”紧跟在质量数之后（例如，锝-99m），则表示原子核处于亚稳态（即同位素最低能量基态以外的稳定态）。

同位素特性

同一元素的同位素具有几乎相同的化学和物理性质，但它们的核性质各不相同，这使得一些同位素对人类来说无价，而另一些则没有实际价值（至少目前如此）。有些同位素被称为“稳定同位素”，这意味着它们的核组成不会随时间而改变。大多数天然存在的同位素都是稳定的。如果一种同位素的原子核有可能随时间自发变化（即放射性衰变），则该同位素具有“放射性”。在放射性衰变过程中，“母”同位素会转变为“子”同位素（可能来自不同的元素）。通常，在形成稳定的原子核之前，必须完成一系列被称为“衰变链”的子体衰变。放射性同位素衰变的速率由原子的半衰期（tH）来衡量， tH表示该物质衰变一半所需的时间。每种放射性同位素都有确定的半衰期，范围从几分之一秒（例如，215 At 为 0.1 毫秒）到数十亿年（例如，238 U 为 44.68 亿年）。

元素既可以具有稳定同位素，也可以具有放射性同位素。例如，锶有四种稳定同位素：锶-84、锶-86、锶-87 和锶-88；以及一种放射性同位素锶-82。随着时间的推移，锶-82 衰变为铷-82，半衰期为 25 天，因此适合用于发生器提供铷-82——用于心脏成像的最便捷的正电子发射断层扫描 (PET) 剂。26 种元素只有一种稳定同位素，而锡拥有最多的稳定同位素，有 10 种。

据估计，大约90种天然存在的元素以339种不同的同位素形式存在，其中约250种是稳定的，35种是不稳定的（放射性的），其半衰期极长，可达数百万年。此外，人工合成的放射性同位素超过3000种。自然界中，大多数元素都是由多种同位素混合而成的。

访问布鲁克海文国家实验室的国家核数据中心网站，查看核素交互式图表，该图表根据原子核中的质子和中子数量排列所有元素和同位素，并提供稳定同位素的天然丰度百分比、放射性同位素的半衰期、主要发射和能量（α、β、正电子、γ）等信息。

同位素形成和辐射类型

同位素可以通过原子核的放射性衰变（即以α粒子、β粒子、中子和光子的形式释放能量）自发（自然）形成，也可以通过加速器或核反应堆中的中子轰击稳定的原子核人工形成。在某些情况下，会产生同一种元素的新同位素。在其他情况下，一种元素会转化为另一种元素，这个过程称为“嬗变”。

随着放射性同位素的自然衰变，粒子在穿过空气、水和人体等物质时会沉积（即损失）能量。α粒子的能量沉积距离最短，因此最容易被“阻止”。β粒子需要略多的防护，而光子（γ射线和X射线）则需要更强大的屏蔽。中子辐射因其高动能而被认为是对人类最严重、最危险的辐射，因此通常需要最有效的屏蔽。原子序数较低的物质（水、碳、锂等）能够减慢中子的速度，通常能够提供最有效的屏蔽。

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