了解原子對于了解我們周圍的世界至關(guān)重要。當(dāng)科學(xué)家們慢慢開始拼湊這些基本組成部分時，宇宙中各種化學(xué)循環(huán)開始顯現(xiàn)出來?；瘜W(xué)科學(xué)對我們理解世界的重要性是無與倫比的，我們很難低估這一點。隨著越來越多的新元素被迅速發(fā)現(xiàn)，這些元素最終被整理成一個方便而有效的分類系統(tǒng)，稱為元素周期表。

有了元素周期表，我們能夠?qū)τ钪嬷幸阎乃性舆M行分類。我們知道的每一個過程，比如食物在胃中的消化到太陽產(chǎn)生能量的化學(xué)反應(yīng)，都依賴于這些各種元素的相互作用?；瘜W(xué)的普遍性是令人驚嘆的。然而，上圖所示的周期表遠未展現(xiàn)完整的圖景。

在20世紀(jì)初，化學(xué)家們開始意識到元素有不同的形式。對放射性的研究揭示了鈾衰變?yōu)殂U時會產(chǎn)生超過40種中間產(chǎn)物，而在元素周期表上兩者之間只有11個元素位置。隨著我們慢慢了解各種原子的結(jié)構(gòu)，原因變得清晰。

原子

讓我們回顧一下高中化學(xué)知識。一個元素是由它有多少質(zhì)子來定義的。質(zhì)子是聚集在中心的帶正電荷的粒子。金原子總是有79個質(zhì)子，而氫原子只有一個。這是元素周期表最重要的方面。

然而，原子的中心不僅僅包含質(zhì)子。還有很多中性粒子，稱為中子。中子不像帶電的質(zhì)子那么引人注目，長期以來被忽視。科學(xué)家們最終發(fā)現(xiàn)，中子負責(zé)四種主要力之一的強核力，正是這種力將原子保持在一起。如果沒有中子，質(zhì)子會相互排斥，原子就無法形成。

有趣的是，同一元素的原子中質(zhì)子的數(shù)量可能會有所不同?？紤]下圖中的三種氫的版本：

上述每一個原子都是氫原子，因為它們都有一個質(zhì)子。然而，它們的中子數(shù)量和因此的質(zhì)量不同。每個元素都有幾種不同的版本，取決于它有多少中子，這些被稱為同位素。大多數(shù)這些版本是不穩(wěn)定的，最終會衰變?yōu)楦€(wěn)定的形式。之前我提到過元素周期表并不完整，這是因為它沒有顯示同位素。讓我們看看完整版本。

這真是太大了！我們稱之為“核素圖（Chart of the Nuclides）”。

在上面的表中，每一行代表不同數(shù)量的質(zhì)子，每一列代表中子的數(shù)量。請注意，這種約定根據(jù)你看的圖的版本可能會有所不同。所以最下面的方格是一個中子。讓我們看看這個圖的放大版本

在這里，我們可以更清楚地看到每一行具有相同數(shù)量的質(zhì)子，因此是同一種元素。從左到右移動增加了中子的數(shù)量，從而增加了元素的質(zhì)量?？纯春谏礁瘛＿@些版本是穩(wěn)定的，因此不會衰變。百分比告訴我們每種同位素在自然界中出現(xiàn)的頻率。因此，雖然氧-16是最常見的，但我們有時會在地球上找到氧-17和氧-18。另一方面，氟只有一種穩(wěn)定形式，即氟-19。

非黑色方格是不穩(wěn)定的，最終會衰變。時間告訴我們衰變的半衰期，下面的信息告訴我們它將如何衰變。已知的同位素絕大多數(shù)是不穩(wěn)定的，但它們中的大多數(shù)不會存在很長時間。

預(yù)測和理解這些性質(zhì)需要大量的工作。例如，鎳的同位素（-71、-72和鎳-73）的衰變，我們量化了它們的半衰期并研究了它們的具體β衰變模式。這些同位素的研究非常重要，因為它們都出現(xiàn)在超新星中。我測量的這些性質(zhì)幫助我們解釋從超新星獲得的數(shù)據(jù)，并估計宇宙中各種元素的豐度。

同位素在現(xiàn)代科學(xué)中極為重要。想象一下，質(zhì)子的數(shù)量是研究宇宙的一個維度。通過區(qū)分不同的元素，我們獲得了寶貴的信息。然而，增加同位素就像添加了一個全新的維度?，F(xiàn)在，我們可以進一步細分樣本中的每種元素的類型。20世紀(jì)和21世紀(jì)的許多重大科學(xué)突破都是由于這一額外的洞察維度。

一個關(guān)鍵的進步是冰芯研究的工作。這項研究始于20世紀(jì)初，當(dāng)時科學(xué)家們挖掘冰層并測量其性質(zhì)。當(dāng)你、深入冰層時，你測量的是更久以前降落的雪。如果挖得足夠深，這可以追溯到幾十萬年前。一旦同位素科學(xué)得到更好的理解，我們對過去氣候的認識發(fā)生了巨大的變化。

冰的最基本組成部分是水。然而，水中的原子（氧和氫）都有不同的同位素。隨著時間的推移，測量這些同位素可以告訴我們地球過去的氣候狀況。

我們可以看到上面來自不同冰芯的兩個“δD”圖。這一數(shù)量告訴我們水中的氘（氫2）相對于正常氫（氫1）的含量。一般來說，較重的氫比較輕的氫更容易作為雨水降落。這一過程在寒冷的氣候中更加明顯。我們還可以簡化地說，水在赤道蒸發(fā)到空氣中，然后向兩極移動，在此過程中降落為雨水。當(dāng)它到達南極時，很多重氫已經(jīng)被去除。因此，一般來說，冰芯中氫2越少，當(dāng)時的氣候就越冷。

解釋上面的圖，我們可以看到地球經(jīng)歷的冰河時期的歷史記錄。幾種獨立的來源都證實了這一點。如果沒有對同位素的理解，獲得這樣的記錄是不可能的。

大多數(shù)使同位素有用的原因像這樣，稱為分餾。不同的過程偏愛某些同位素，其比例會發(fā)生變化。之前我提到過雨，但這種情況可以以各種方式發(fā)生。細菌通常會偏愛一種同位素作為食物。當(dāng)巖漿冷卻成巖石時，它會選擇性地偏愛某些同位素。