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高中物理/核與輻射/同位素

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我们已经了解了原子的内部结构,知道了原子由原子核和核外电子组成。原子核则由核子组成,核子包括质子和中子。但是世界上有这么多的原子我们要怎么给它们分类呢?为了解决这个问题,我们引入了元素和同位素的概念。

元素编辑

定义:化学元素是根据原子核电荷的多少对原子进行分类的一种方法,把核电荷数相同的一类原子称为一种元素。

显而易见,通过定义我们知道属于同一种元素的所有原子都含有相同的核电荷数,也就是说含有相同的质子数。而这个核电荷数或者质子数则成为了该元素在元素周期表中的索引值,我们称作原子序数,用字母Z表示。一般原子序数写在元素符号的左下角,例如:1H、6C。

同位素编辑

也许我们会遇到这种情况,如果两个原子有相同的质子数,但是中子数不相同。那怎么区分它们呢?这就需要引入同位素的概念了。

定义:同位素是同一元素的不同原子,其原子具有相同数目的质子,但中子数目却不同。

注意,同位素是相互的。如果原子A是原子a的同位素,那么原子a也一定是原子A的同位素。对单独一个原子来说不存在同位素的概念。

同位素的中子数(用字母N表示)不同,导致了各同位素原子的核子数不同。我们将同位素原子核内的核子数(也就是质子数与中子数的总和)称为原子的质量数,用字母A表示。一般质量数写在元素符号的左上角,例如1H、2H。

同位素是一组相同的元素,它们在元素周期表上占据相同的位置。它们的化学性质几乎完全相同(因为它们的核外电子数完全相同)。但因中子数不同,它们物理性质则有所差异。

有些同位素是天然存在的,称为天然同位素。类似的,还存在人为创造的同位素,称为人造同位素。有些同位素会自发的衰变,放出放射性粒子,这类同位素被称为放射性同位素。

原子的表示编辑

前面我们已经介绍了原子序数、质量数、核子数、中子数、质子数等概念。现在我们来看看这些物理量之间的关系。

显然,原子序数和质子数是相等的,因为原子序数等于核电荷数,而核电荷的提供者正是质子。中子和质子组成了原子核,所以原子核的核子数等于中子数加上质子数。而根据定义质量数刚好就是核子数,所以质量数等于中子数与质子数之和。我们可以列出关系式如下:

质量数(A)= 核子数 = 质子数 +中子数(N) = 原子序数(Z)+ 中子数(N)

现在我们可以利用这些量来唯一地表征一个原子了。表示一个原子我们需要三个步骤:

  1. 确定元素。这取决于原子序数。一旦元素确定了,我们就可以使用元素的符号并表明原子序数(Z)了。
  2. 区分同位素。我们需要根据中子数来区分同位素原子。这只需要根据上式计算出质量数(A)即可。
  3. 按照  的模式表示出原子。

例如我们要表示有1个质子和2个中子的原子。那么就需要先计算出原子的原子序数。显然:

原子序数(Z) = 质子数 = 1  元素周期表中序数为1的是元素 H
质量数(A) = 质子数 + 中子数 = 2+1 = 3

所以原子为: