元素周期表的另一个维度：同位素揭示的科学奥秘
元素周期表的另一个维度：同位素揭示的科学奥秘
元素周期表是化学科学的重要工具，它帮助我们理解宇宙中各种化学循环。然而，传统的元素周期表只展示了元素的基本信息，而忽略了元素的另一种重要维度——同位素。本文将带你深入了解同位素的概念及其在现代科学研究中的重要应用。
了解原子对于了解我们周围的世界至关重要。当科学家们慢慢开始拼凑这些基本组成部分时，宇宙中各种化学循环开始显现出来。化学科学对我们理解世界的重要性是无与伦比的，我们很难低估这一点。随着越来越多的新元素被迅速发现，这些元素最终被整理成一个方便而有效的分类系统，称为元素周期表。
有了元素周期表，我们能够对宇宙中已知的所有原子进行分类。我们知道的每一个过程，比如食物在胃中的消化到太阳产生能量的化学反应，都依赖于这些各种元素的相互作用。化学的普遍性是令人惊叹的。然而，上图所示的周期表远未展现完整的图景。
在20世纪初，化学家们开始意识到元素有不同的形式。对放射性的研究揭示了铀衰变为铅时会产生超过40种中间产物，而在元素周期表上两者之间只有11个元素位置。随着我们慢慢了解各种原子的结构，原因变得清晰。
原子
让我们回顾一下高中化学知识。一个元素是由它有多少质子来定义的。质子是聚集在中心的带正电荷的粒子。金原子总是有79个质子，而氢原子只有一个。这是元素周期表最重要的方面。
然而，原子的中心不仅仅包含质子。还有很多中性粒子，称为中子。中子不像带电的质子那么引人注目，长期以来被忽视。科学家们最终发现，中子负责四种主要力之一的强核力，正是这种力将原子保持在一起。如果没有中子，质子会相互排斥，原子就无法形成。
有趣的是，同一元素的原子中质子的数量可能会有所不同。考虑下图中的三种氢的版本：
上述每一个原子都是氢原子，因为它们都有一个质子。然而，它们的中子数量和因此的质量不同。每个元素都有几种不同的版本，取决于它有多少中子，这些被称为同位素。大多数这些版本是不稳定的，最终会衰变为更稳定的形式。之前我提到过元素周期表并不完整，这是因为它没有显示同位素。让我们看看完整版本。
这真是太大了！我们称之为“核素图（Chart of the Nuclides）”。
在上面的表中，每一行代表不同数量的质子，每一列代表中子的数量。请注意，这种约定根据你看的图的版本可能会有所不同。所以最下面的方格是一个中子。让我们看看这个图的放大版本
在这里，我们可以更清楚地看到每一行具有相同数量的质子，因此是同一种元素。从左到右移动增加了中子的数量，从而增加了元素的质量。看看黑色方格。这些版本是稳定的，因此不会衰变。百分比告诉我们每种同位素在自然界中出现的频率。因此，虽然氧-16是最常见的，但我们有时会在地球上找到氧-17和氧-18。另一方面，氟只有一种稳定形式，即氟-19。
非黑色方格是不稳定的，最终会衰变。时间告诉我们衰变的半衰期，下面的信息告诉我们它将如何衰变。已知的同位素绝大多数是不稳定的，但它们中的大多数不会存在很长时间。
预测和理解这些性质需要大量的工作。例如，镍的同位素（-71、-72和镍-73）的衰变，我们量化了它们的半衰期并研究了它们的具体β衰变模式。这些同位素的研究非常重要，因为它们都出现在超新星中。我测量的这些性质帮助我们解释从超新星获得的数据，并估计宇宙中各种元素的丰度。
同位素在现代科学中极为重要。想象一下，质子的数量是研究宇宙的一个维度。通过区分不同的元素，我们获得了宝贵的信息。然而，增加同位素就像添加了一个全新的维度。现在，我们可以进一步细分样本中的每种元素的类型。20世纪和21世纪的许多重大科学突破都是由于这一额外的洞察维度。
一个关键的进步是冰芯研究的工作。这项研究始于20世纪初，当时科学家们挖掘冰层并测量其性质。当你、深入冰层时，你测量的是更久以前降落的雪。如果挖得足够深，这可以追溯到几十万年前。一旦同位素科学得到更好的理解，我们对过去气候的认识发生了巨大的变化。
冰的最基本组成部分是水。然而，水中的原子（氧和氢）都有不同的同位素。随着时间的推移，测量这些同位素可以告诉我们地球过去的气候状况。
我们可以看到上面来自不同冰芯的两个“δD”图。这一数量告诉我们水中的氘（氢2）相对于正常氢（氢1）的含量。一般来说，较重的氢比较轻的氢更容易作为雨水降落。这一过程在寒冷的气候中更加明显。我们还可以简化地说，水在赤道蒸发到空气中，然后向两极移动，在此过程中降落为雨水。当它到达南极时，很多重氢已经被去除。因此，一般来说，冰芯中氢2越少，当时的气候就越冷。
解释上面的图，我们可以看到地球经历的冰河时期的历史记录。几种独立的来源都证实了这一点。如果没有对同位素的理解，获得这样的记录是不可能的。
大多数使同位素有用的原因像这样，称为分馏。不同的过程偏爱某些同位素，其比例会发生变化。之前我提到过雨，但这种情况可以以各种方式发生。细菌通常会偏爱一种同位素作为食物。当岩浆冷却成岩石时，它会选择性地偏爱某些同位素。