什麼是同位素

原子是「物質的基本構建單位」。任何具有質量且佔據空間（因為有體積）的東西都是由這些極其微小的單位組成的。這包括你呼吸的空氣、你喝的水以及你自身的身體。

同位素是原子研究中一個重要的概念。化學家、物理學家和地質學家用它們來理解我們的世界。但在我們解釋同位素是什麼或為什麼它們如此重要之前，我們需要退一步來看看原子的整體。

體育和科學的交集比你想像的要多。新墨西哥州最大的城市在2003年獲得了一支新的小聯盟棒球隊。它的名字是什麼？阿爾伯克基同位素。這是對《辛普森一家》第12季一集中提到的名稱的引用，這支隊伍的特殊名字有一個意想不到的好處：球場的員工經常需要向好奇的球迷講解化學課。

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我們的原子世界

如你所知，原子有三個主要組成部分，其中兩個位於原子核中。位於原子中心的核是一簇緊密堆積的粒子。這些粒子中的一些是質子，它們帶有正電荷。

眾所周知，異性相吸。而同性則往往相斥。所以這裡有一個問題：兩個或更多帶正電荷的質子如何能共存於同一個核內？難道它們不應該相互推開嗎？

這就是中子的作用所在。中子是一種與質子共享原子核的亞原子粒子，但中子不帶電。中子如其名，是中性的，不帶正電或負電。這是一個重要的特性。由於其中立性，中子能夠阻止質子將彼此從核內推開。

圍繞原子核運行的是電子，這些超輕的粒子帶有負電荷。電子促進了化學鍵的形成—它們的運動還能產生一種稱為電的東西。質子同樣重要。舉例來說，質子幫助科學家區分不同的元素。

你可能已經注意到，在大多數版本的元素週期表中，每個方格的右上角都印有一個小數字。該數字被稱為原子序數。它告訴讀者特定元素的原子核中有多少質子。例如，氧的原子序數是八。宇宙中每個氧原子的核中都有恰好八個質子；不多也不少。

沒有這種非常具體的粒子排列，氧就不會是氧。每種元素的原子序數—包括氧的—都是完全唯一的。沒有兩個元素可以具有相同的原子序數。沒有其他元素的核中有八個質子。通過計數質子數，你可以識別一個原子。就像氧原子將永遠有八個質子，氮原子不可避免地有七個質子。就是這麼簡單。

中子則不如此。氧原子的核保證有八個質子（如我們已確立的）。然而，它還可能包含四至二十個中子。同位素是具有不同數量中子的相同元素的變體（因此可能具有不同的物理性質）。然而，它們傾向於具有相同的化學性質。

現在，每個同位素根據其質量數命名，即原子中中子和質子的總數。例如，最著名的氧同位素之一被稱為氧-18（O-18）。它具有標準的八個質子加上十個中子。因此，O-18 的質量數是—你猜對了—18。一個相關的同位素，氧-17（O-17），核中少一個中子。那麼，O-16 具有與質子和中子相同的數量：八個。在這三個同位素中，O-16和O-17是較輕的同位素，O-16也是三者中最豐富的。

感覺不穩定

某些組合比其他組合更穩定。科學家將O-16，O-17和O-18分類為穩定同位素。在穩定同位素中，質子和中子之間的作用力彼此保持在一起，永久地保持核的完整性。

另一方面，不穩定同位素，也稱為「放射性同位素」的核是不穩定的，會隨時間衰變。放射性同位素有一個從根本上說在長期內不可持續的質子與中子比例。沒有人想保持在那種境地。因此，放射性同位素將脫落某些亞原子粒子（並釋放能量），直到它們轉變為穩定的同位素。

O-18是穩定的，但氧-19（O-19）不是。後者不可避免地會快速分解！從其生成之日起，O-19樣本在26.88秒內保證失去一半的原子，因放射性衰變。

這意味著O-19的半衰期為26.88秒。半衰期是讓50%的同位素樣本衰變所需的時間。記住這個概念；我們將在下一節中將其與古生物學聯繫起來。

但在我們談論化石科學之前，有一個重要的觀點需要闡述。與氧不同，有些元素根本沒有任何穩定的同位素。想想鈾，最著名的放射性元素之一。在自然界中，這種重金屬有三個同位素，它們都是放射性的，其原子核處於不斷衰變的狀態。最終，一塊鈾會變成元素週期表中的另一個完全不同的元素。

不用試圖實時觀察這個過程。這個過程展開得非常非常緩慢。

校準時間及維持健康

鈾-238（U-238），這種元素最常見的同位素，其半衰期約為45億年！逐漸地，這會變成鉛-206（Pb-206），這是穩定的。同樣，鈾-235（U-235）—其半衰期為7.04億年—轉變為鉛-207（Pb-207），也是一種穩定的同位素。（U-238和U-235都是天然存在的同位素的例子。）

對地質學家來說，這是非常有用的信息。假設有人發現了一塊含有鈾-235和鉛-207混合的鋯石晶體巖石。這兩種原子的比例可以幫助科學家確定這塊巖石的年齡。

是這樣的：假設鉛原子遠遠多於鈾原子。在那種情況下，你知道你在看一塊非常古老的巖石。畢竟，鈾有足夠的時間開始轉變為鉛。另一方面，如果相反情況存在—鈾原子更多—那麼巖石必須是年輕一些的。

我們剛才描述的技術被稱為放射性定年法。這是利用不穩定同位素的已知衰變速率來估計巖石樣品和地質構造年齡的行為。古生物學家利用這一策略來確定某個化石沉積以來經過的時間。（儘管並非總是可以直接測定標本的年代。）

你不需要成為史前時代的愛好者也能欣賞同位素。醫學從業者使用一些放射性品種來監測血流、研究骨骼生長，甚至對抗癌症。放射性同位素也被用來讓農民瞭解土壤質量。

所以，這就是全部了。看似抽象的中子變異性影響著從癌症治療到遠古奧秘的一切。科學真了不起。

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