原子核与同位素

原子核由什么构成

原子的几乎全部质量——超过99.9%——都集中在原子核中，尽管原子核的体积仅占整个原子体积的 十万亿分之一。原子核由两种核子构成：带正电的质子和电中性的 中子。两者质量几乎相同（约1.67·10⁻²⁷千克），并且各自由三个夸克构成。

质子的数量——即原子序数Z——决定了是哪种化学元素：凡是恰好拥有6个质子的元素都是碳，拥有79个 质子的都是金。质子数一旦改变，元素也随之改变。而中子数N在同一元素中却可以变化——这正是 同位素的由来。

质子之间存在电磁排斥力——中子则提供额外的强相互作用吸引力，自身却不带电荷。 因此，较重的原子核需要相对更多的中子而非质子才能保持稳定。

什么决定了同位素

同位素是指质子数Z相同、但中子数N不同的同一元素原子。由于中子数几乎不影响化学性质 （化学性质几乎完全由电子决定），同一元素的各种同位素在化学上表现得几乎完全相同。然而 它们的原子核却可能截然不同：有些能够永久稳定存在，有些则在几秒钟内就会衰变。

写在元素符号左上角的质量数A（质子数与中子数之和）和左下角的 原子序数Z，可以唯一地标识一种核素。碳在自然界中以三种同位素形式存在：

稳定谷

如果将所有已知核素的中子数N对质子数Z作图，就会得到一条狭窄的稳定核带——即 稳定谷。对于轻元素，最佳比例接近 N = Z（质子数与中子数相等）。随着 质子数增加，这条带逐渐向中子过剩的方向偏移，因为需要更多中子来抵消数量不断增加的质子 所带来的库仑排斥力增长——而中子本身并不参与这种排斥。

位于稳定谷之外的原子核并不稳定，会通过衰变逐渐向稳定谷靠拢：中子过剩通常通过 β⁻衰变（一个中子转变为质子）来修正，质子过剩则通过β⁺衰变 或电子俘获来修正。比铅更重的极重原子核往往会整体放出一个氦核——即α衰变。 关于具体衰变类型及其运动学的详细内容，可参阅粒子物理板块中关于放射性衰变的深入介绍。

每核子结合能

原子核的质量总是小于其各个核子质量之和——这个差值称为质量亏损，根据 爱因斯坦的E = mc²，它恰好对应于组装原子核时会释放的能量：即结合能。将结合能除以核子数， 就得到每核子结合能——它直接衡量一个原子核结合得有多紧密。

将这一数值对质量数A作图，会得到一条在铁-56和镍-62附近达到最大值的曲线——这两者是整个 元素周期表中结合得最紧密的原子核。（精确的最高点属于镍-62，仅比铁-56高出一点点；由于 铁-56是这一区域中丰度远高、并为该区域命名的核素，因此本文以它作为参考点。）这解释了为 什么重元素的核裂变和轻元素的核聚变都会释放能量：这两个过程都是在曲线上向这一最大值移动。

为什么偏偏是铁？

出现这一最大值的原因，在于两种作用范围截然不同的力之间的竞争。强核力的作用范围极短 ——无论原子核整体有多大，每个核子都只能"感受到"与它直接相邻的核子。因此，随着核子数 增加，强核力对每核子结合能的贡献不会无限增长，而是趋于饱和。相比之下， 质子之间的电斥力（库仑力）作用于整个原子核范围，并且随着质子数增加而增长得越来 越快，因为每个质子都会排斥核内所有其他质子。在质量数达到约56之前，额外核子结合带来的 收益始终超过尚且温和的库仑斥力——每增加一个核子，原子核平均结合得更紧密。而从铁开始， 这一平衡发生逆转：更多的质子带来的排斥能量超过了吸引能量，曲线开始重新下降。铁-56、 镍-62和钴-59几乎恰好位于强核力饱和与库仑斥力增长相互抗衡的临界点——整个元素周期表中 每核子结合能的最大值，就落在这一狭窄的区间内某处（经精确测量，最高点实际上略微落在 镍-62，而非铁-56本身）。

同位素在实践中的用途

由于同位素在化学上表现几乎相同，但在物理上——无论是质量还是放射性——却可以被区分， 因此它们可以被用作标记物，用于追踪那些原本无法观测的过程。