高中物理/核與輻射/同位素

我們已經了解了原子的內部結構，知道了原子由原子核和核外電子組成。原子核則由核子組成，核子包括質子和中子。但是世界上有這麼多的原子我們要怎麼給它們分類呢？為了解決這個問題，我們引入了元素和同位素的概念。

元素

定義：化學元素是根據原子核電荷的多少對原子進行分類的一種方法，把核電荷數相同的一類原子稱為一種元素。

顯而易見，通過定義我們知道屬於同一種元素的所有原子都含有相同的核電荷數，也就是說含有相同的質子數。而這個核電荷數或者質子數則成為了該元素在元素周期表中的索引值，我們稱作原子序數，用字母Z表示。一般原子序數寫在元素符號的左下角，例如：₁H、₆C。

同位素

也許我們會遇到這種情況，如果兩個原子有相同的質子數，但是中子數不相同。那怎麼區分它們呢？這就需要引入同位素的概念了。

定義：同位素是同一元素的不同原子，其原子具有相同數目的質子，但中子數目卻不同。

注意，同位素是相互的。如果原子A是原子a的同位素，那麼原子a也一定是原子A的同位素。對單獨一個原子來說不存在同位素的概念。

同位素的中子數（用字母N表示）不同，導致了各同位素原子的核子數不同。我們將同位素原子核內的核子數（也就是質子數與中子數的總和）稱為原子的質量數，用字母A表示。一般質量數寫在元素符號的左上角，例如¹H、²H。

同位素是一組相同的元素，它們在元素周期表上佔據相同的位置。它們的化學性質幾乎完全相同（因為它們的核外電子數完全相同）。但因中子數不同，它們物理性質則有所差異。

有些同位素是天然存在的，稱為天然同位素。類似的，還存在人為創造的同位素，稱為人造同位素。有些同位素會自發的衰變，放出放射性粒子，這類同位素被稱為放射性同位素。

原子的表示

前面我們已經介紹了原子序數、質量數、核子數、中子數、質子數等概念。現在我們來看看這些物理量之間的關係。

顯然，原子序數和質子數是相等的，因為原子序數等於核電荷數，而核電荷的提供者正是質子。中子和質子組成了原子核，所以原子核的核子數等於中子數加上質子數。而根據定義質量數剛好就是核子數，所以質量數等於中子數與質子數之和。我們可以列出關係式如下：

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

現在我們可以利用這些量來唯一地表徵一個原子了。表示一個原子我們需要三個步驟：

1. 確定元素。這取決於原子序數。一旦元素確定了，我們就可以使用元素的符號並表明原子序數（Z）了。
2. 區分同位素。我們需要根據中子數來區分同位素原子。這只需要根據上式計算出質量數（A）即可。
3. 按照$_{Z}^{A}X$ 的模式表示出原子。

例如我們要表示有1個質子和2個中子的原子。那麼就需要先計算出原子的原子序數。顯然：

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

所以原子為：$_{1}^{3}H$