同位素介绍

同位素指的并不只是那些制造原子弹和杀人毒药的危险物质。其实,很多元素都存在同位素,它们之间的区别仅仅是所含的一种亚原子粒子的数目略有不同而已。同位素存在于我们呼吸的空气中以及喝的水中,你甚至还可以用它(非常安全地)制出能沉到水下的冰块。

冰通常浮于水上,不过有时也不一定。类似地,同一种元素的所有原子通常都相同,不过有时也有不同。如果我们取最简单的氢元素,那么毋庸置疑所有的氢原子都含有一个质子和一个电子。换言之,如果一个原子的原子核中有不止一个质子,那么它就不是氢原子。但如果向氢原子核中再加入一个中子,那它还是氢原子吗?

中子是拼图中丢失的一块,物理学家和化学家直到20世纪30年代才找到它(参见对页“丢失的中子”)。这种中性粒子不会改变一个原子的电荷平衡,却会显著地改变它的质量。在氢原子的原子校中加入一个或两个中子,是以使得冰沉到水底。

重水 向氢原子核中加入一个中子,会使这种“最轻量级”的原子核子数加倍,从而变得大不相同。由此生成的原子叫作“重氢”,学名力氘(用D或者引表示)。它会像普通氢原子一样与氧原子结合生成水,当然生成的不是普通水(H,O),而是多一个中子的“重水”(D,O),它还有一个不太常用的正式名称(氧化氘)。你可以用它做一个小小的“科学魔术”,在网上买一点重水(这很容易),将其放入冰箱中冻成冰块,然后丢进一杯普通水中,你猜咋样?它沉底了!为了更加直观,可以同时加入一块普通冰作为参照,这会让你以及你的观众充分体会到一个亚原子粒子的威力。
在自然界中,大约每 6400个氢原子中会有一个重氢原子。另外,氢原子还有第三种同位素—氚(或者称为超重氢)。氚的原子核中含有一个质子和两个中子。它更为稀有,在家中操作也不安全,因为它不稳定,会像其他放射性元素那样发生衰变。它被用在引发氢弹爆炸的机制当中。

放射性 由于“同位素”一词经常与“放射性”联系在一起,因此有一种倾向认为所有的同位素都具有放射性。事实当然不是这样,我们刚刚提到的氢元素就是一个很好的反例,它拥有一种非放射性的同位素,或者说稳定的同位素。除此之外,碳、氧以及其他一些自然界存在的元素都有稳定的同位素。

不稳定的、具有放射性的同位素会衰变。也就是说,它们的原子会分解,并以质子、中子、电子的形式从原子核中释放出物质(参见本页“射线的类型”),结果使它们的原子序数发生变化,从而变成了其他元素。这听上去不就是16 和17世纪那些炼金术士们梦寐以求的、将一种元素变成另一种元素的能力吗?(在他们看来,另一种元素自然最好是金子!)自然最好是金子!)

每种放射性元素都有不同的衰变速率。比如,原子核中含有14个核子的碳-14(普通的碳只有12个)是一种放射性同位素,但它很安全,操作时并不需要特的防护。如果将一克碳-14放在窗边,你需要很长的时间来观察它的衰变。准确地说,其中一半碳-14原子完全衰变需要5700年。这一表示衰变速率的方式称为半衰期。与碳-14相比,钋-214的衰变速率就快得多了。它的半衰期不到千分之一秒,你甚至来不及在它完全衰变之前将它放到窗边,当然这样做也非常危险。

俄罗斯前特工亚历山大•利特维年科则是被钋的一种较稳定的同位素钋-210杀死的,这种同位素的半衰期为数天。另外,巴勒斯坦前领导人亚西尔•阿拉法特也被怀疑死于这种同位素。钋-210进入人体后,衰变时所产生的辐射会破坏细胞,引起疼痛、恶心,并破坏免疫系统。在调查这些事件的时候,科学家寻找的证据是钋衰变的产物,因为钋-210本身早已不在了。

回到未来 放射性同位素可以致命,但也可以帮助我们了解过去。

我们刚才放在窗边慢慢衰变的碳-14便有好几项科学用途,其中之一是通过碳-14测年法测定化石的年龄,另外一项则是研究过去的气候。由于放射性同位素的衰变速率可以精确地测定,科学家因而可以通过分析不同同位素之间的比例,测定出文物、死去的动物以及冰层中所含大气的年份。动物在活着的时候,会吸人少量天然生成的、以二氧化碳形式存在的碳-14;而当动物死亡之后,这一过程便停止了,它们体内的碳-14含量则会因为衰变而减少。由于科学家已经确切地知道碳-14的半衰期为5700年,他们便能计算出变成化石的动物是何时死去的。

从已经冰冻了成千上万年的冰盖或冰川中钻取出的冰芯常常含有一些气泡。通过测定同位素的含量确定气泡的年龄,再分析出其中的成分,科学家便可以了解地球大气随时间演变的情况。这些研究能够帮助我们预测二氧化碳水平的持续变化对地球未来气候的影响。