2019國際元素週期表年(IYPT)：同位素之簡介及應用 廖文昌1、連經憶2* 1長庚科技大學謢理系 2國立嘉義大學應用化學系 2kelly@mail.ncyu.edu.tw   「化學」是研究物質變化的一門科學，追根究底，所有對人類有重要貢獻的物質都是由原子所構成的，相同或不同原子間的結合，創造了成千上萬數不完的化合物，原子的組成十分單純，都有質子、中子、及電子，但因電子的數目及排列方式不同，造就了週期表上118種元素，這個數目不代表核種(nuclide)的數量僅有118種，核種是質子及中子的組合1，總數可達7000種，約有3000是已知的核種，包含常見且對人類生活有重要影響的同位素(isotope)。同位素是什麼？當提及同位素時很多人都會立即刻聯想到「放射性」，同位素真的都具有放射性嗎？答案是否定的，同位素指的是具有相同質子數、但中子數不同的核種，換言之，同位素是相同的元素，只是原子的質量不同，例如大家較為熟悉的「碳」元素，包含了碳12 (12C)、碳13 (13C)、及碳14(14C)三種同位素(圖一)，三者皆有6個質子，但中子的數目分別為6、7、及8個，其中只有14C具放射性，被稱為放射性同位素(Radioisotope)，12C及13C不具放射性，被稱為穩定性同位素(Stable Isotope)。 圖一、碳12 (12C)、碳13 (23C)、及碳14(14C)三種同位素示意圖。   一、同位素之發現         同位素出現的歷史要從具放射性物質說起，第一個被發現的同位素是具有放射性的。1896年貝克勒(Antoine Henri Becquerel)將鈾鹽放在用厚紙蓋住的照相底板上而發現了源自於238U的放射線1。在當時的年代，科學家還不了解其中的原委，就已經利用放射線的型式及能量來區分不同的物質，因而發現了許多的「放射性元素(Radioactive-element)」，也就是現在所知同位素的前身。雖然當時發現了許多同位素，如氡、釙、鉛等，但直到1913年，索迪(Frederick Soddy)終於了解「有些物質具有相同的性質，不同的原子量」2，同年12月索迪提出了「isotope(同位素)」這個名詞，這個名詞是源自於希臘字「iso」及「tope」，「iso」是相同的意思，「tope」是地方，同位素在週期表上是在相同的位置。         1913年當湯姆森(Joseph John Thomson)在研究氖(Neon)時發現，同一種元素可能有二種不同質量的原子，20Ne及22Ne。湯姆森使用放電管(Electric Discharge Tube)讓氖氣離子化，當通過電場及磁場時，這些離子會受質量及速度影響而偏離了原來的路徑，最後在照相底板形成抛物線，有相同質量及電核的離子形成相同的抛物線，因此照相底板可以看出對應20Ne及22Ne的二條亮帶(圖二)，這是第一個發現穩定性同位素的例子，但發現氖有二種同位素的功勞最終給了湯姆森的助理–阿斯頓(Francis Aston)。二人一同進行實驗，湯姆森並未聯想到索迪提出的同位素概念，將22Ne誤認為H2Ne，阿斯頓分析純度非常高的氣體，證實了20Ne及22Ne的存在。雖然如此，湯姆森利用質量區分同位素的做法為日後分析穩定性同位素時所用的儀器–質譜儀(Mass Spectrometer)立下了基礎，在1917到1939年間，德姆斯(Arthur Jeffrey Dempster)及阿斯頓利用質量攝譜儀(Mass Spectrograph)發現了許多穩定的同位素。(表一)   圖二、湯姆森實驗結果照片(截取自維基百科)3，下方圈起來的地方可以看到對應20Ne及22Ne之亮帶。  表一、阿斯頓及德姆斯在1917 ~ 1939間利用質量攝譜儀發現的穩定性同位素1。 阿斯頓發現的同位素(1917 ~ 1939) 德姆斯發現的同位素(1919 ~ 1924) 1H, 16O, 23N, 39K; 24Mg, 25Mg, 26Mg; 40Ca, 44Ca, 64Zn, 66Zn, 68Zn, 70Zn […]