同位素之間的性質差異

同位素之間的性質差異 (Variation in properties between isotopes)
高雄市立高雄高級中學化學科龔自敬老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

同一元素的不同同位素具有相同數量的質子、電子和同樣的電子結構，因為原子的化學行為主要由它的電子結構決定，所以不同的同位素間幾乎有著相同的化學行為。一般而言，質子數決定元素的種類和化學性質；而中子數則決定同位素的種類和物理性質。

值得一提的是：氕protium (¹H) 和氘deuterium (²H)， 由於氘的質量是氕的兩倍，所以氘-氘間和相對較輕的氕-氕間的吸引力，便會因質量效應而影響他們的各自化學鍵。但是，對較重的元素而言，電子數愈多，原子核質量的影響便愈小；而且相對地各同位素之間的質量差愈小， 故質量效應對同位素化學性質的影響通常就被省略了。 同樣的道理，不同同位素的本質，將因為其具有相同的電子結構、物理和化學性質而幾乎難以區分 （氘為這個規則主要的例外）。分子的振動方式由它的構成原子之質量和形狀決定，結果顯示，由同位素所組成的化合物 (isotopologues)會有不同形式的振動方式，因為振動方式允許分子吸收相對應的能量光子 (photons)， 所以這些化合物在紅外光 (infrared)範圍便會有不同的光學性能。

原子核是由質子和中子以「堅強核力」(strong nuclear force) 連結一起而組成。由於質子帶正電，它們會互相排斥；而中子為電中性，它可容許質子間適當的分離以降低質子間的靜電排斥。中子藉著原子核內小範圍中彼此吸引並對等吸引質子的「堅強核力」，而使得原子核穩定下來；這股「堅強核力」也抵消了核內質子間的靜電排斥。 因此，當二個或二個以上的質子要進入原子核時，搭配一個或更多的中子是必要的。當質子數量增加時，為形成一個穩定的原子核，所含中子比率的增大是需要的。例如，雖然 ³He 的中子、質子比 (eutron:proton ratio)為 1:2，但 ²³⁸U 比率是卻大於 3:2 。

概括來說，各個元素只具有少數穩定的同位素，其中有十六個元素具有唯一「一個」穩定的同位素；而每一元素具有穩定同位素的平均值是 3.4 個。目前已知的所有元素中，具有最大數量的穩定同位素者是元素錫（tin）的十個。 附圖為：同位素與半生期（半生期以顏色深淺表示）；圖上可看出中子、質子比 (neutron:proton ratio) 隨原子序 (Z) 逐漸增加之趨勢。