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单同位素与单核素元素:微观世界的奥秘

已有 892 次阅读 2023-8-24 17:55 |系统分类:科普集锦

原创 Isogeochem 同位素地球化学 2023-08-24 17:51 发表于北京

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   我们熟知的元素,构成了构成世界的基本物质,但你是否听说过“单同位素”和“单核素元素”?这两个概念或许对大多数人来说还是陌生的。让我们一起来揭开这神秘的面纱,了解这些微小却又有趣的元素世界。

1.什么是单同位素和单核素元素?

  在探索单同位素和单核素元素之前,我们先来了解一下“同位素”和“核素”的概念。同位素是指具有相同质子数(即原子序数)的元素,但中子数不同的原子核。而核素则是指具有特定质子数和中子数的核。

单同位素元素是指具有仅一个稳定同位素(即核素)的元素。简单来说,就是这类元素的所有原子核中只有一种类型的核子组成。这样的元素在自然界中非常稀少,总共有26种,下面我们将会列出其中的一些。

单核素元素是另一个与之相关的概念,它指的是在自然界中只有一种核素存在的元素。核素是指特定质子数和中子数的核,因此单核素元素的所有原子核都只有一种核子组成。

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    依衰变类型上色的核素图(以核素的质子-中子数 (ZN) 作为坐标排列的二维图表): 黑色 – 稳定核素 其他颜色 – 放射性核素,各颜色表示该核素的主要衰变形式 图中的对角线表示质子数与中子数相同(中子-质子比为1)的核素。由此图可归纳出:质子数超过20的稳定核素所含的中子数皆大于质子数,且核子数越多,中子-质子比越大。(维基百科)

2.单同位素元素的稳定性和特点

 稳定性在化学元素中是一个重要的概念,因为一些具有较大原子序数的元素理论上是不稳定的,但由于半衰期非常长,尚未观测到它们的衰变。单同位素元素在化学元素中稳定性的定义中起着重要作用。

单同位素元素的特点是,除了一种例外,它们的质子数是奇数(即奇数原子序数),而中子数是偶数。这是由于核子间的配对作用带来的能量变化。奇数质子数会使奇数原子序数的同位素不稳定,而在较重的元素中,需要有一组完全配对的中子来抵消这种不稳定性。但也有例外,比如氢-2、锂-6、硼-10、氮-14和钽-180这五种奇数质子和奇数中子的核素是稳定的。

    然而,还有一个单同位素元素例外,那就是铍。虽然它的稳定同位素是铍-9,有4个质子和5个中子,但它的另一种同位素铍-8具有4个质子和4个中子。然而,由于它对α衰变倾向的不稳定性,它无法成为稳定同位素。这种不稳定性是由于氦-4核的结合非常紧密。另外,铍-10虽然半衰期为136万年,但对于一个质子和中子数不平衡的轻同位素来说,半衰期过短,不足以成为原始同位素。

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(维基百科:单同位素)

3.单同位素与单核素的区别?

   单同位素元素与单核素元素虽然听起来很相似,但实际上它们有一些不同之处。单同位素元素是指只有一个稳定同位素的元素,而单核素元素是指只有一种核素存在的元素。这两者之间的差异在于,有一些长寿命的放射性原始核素存在于自然界中,它们会与单同位素元素混合,从而阻止它们成为自然界的单核素元素。

  以钒、铷、铟、镧、铕、镥和锇为例,尽管它们的某些同位素是单同位素的,但由于存在长寿命的放射性原始核素,它们不被认为是单核素元素。铟和锇的情况更加特殊,因为它们的最丰富同位素实际上是放射性的,而不是稳定的。另外,铋和镤虽然拥有原始存在的单核素,但这些同位素是放射性的,因此它们并不是单同位素的。

4.单同位素与单核素:微观世界的奥秘

    通过了解单同位素和单核素元素,我们进一步领略了微观世界的奥秘。这些微小的元素背后蕴藏着许多引人入胜的故事,帮助我们更好地理解元素的本质和稳定性。在元素的丰富多样性中,单同位素元素和单核素元素或许只是微不足道的一部分,但它们却以其独特的存在方式在元素周期表上留下了独特的足迹。让我们在追求更深刻的科学知识的道路上,继续探索微观世界的精彩之处。

参考资料:

^ N. E. Holden, "Standard Atomic Weight Values for the Mononuclidic Elements - 2001," BNL-NCS-68362, Brookhaven National Laboratory (2001)

^ Until 2003, 209Bi was thought to be in the first category. It was then found to have a half-life of 1019 years, about a billion times the age of the universe. See Bismuth





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1 李中平

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