门捷列夫提出的元素周期表是根据元素的相对质量来排列的,不同相对质量的元素意味着物理和化学性质不同。1910年,英国的索迪指出,可能存在一些相对质量接近但不完全相同,且物理化学性质又相同的元素,这些元素在元素周期表中处在同一个位置,称之为“同位素”。第一个发现存在同位素的元素是氖,由英国物理学家汤姆逊在1912年所发现。后来,人们认识到原子内部实际上由原子核和核外电子组成,原子核又由带正电的质子和不带电的中子构成,质子数目等于核外电子总数,所以原子整体呈电中性。实际上,确定元素周期表位置主要依据原子核中质子数目,而原子核中的中子数目的不同则形成了各种同位素。
探测同位素可以用质谱仪:让带电粒子(电离后的原子,即离子)在磁场中运动,就会发生偏转,如果测定了粒子的电荷,就可以推算粒子的质量。英国的阿斯顿先后利用质谱仪在71种元素之中找到了202种同位素。1931年初,伯奇和门泽尔从理论上预言了氢同位素的存在。同年,美国的尤里利用朋友赠送的液氢开始了寻找氢同位素之旅。设想,如果氢同位素存在,它的原子核将含有一个以上中子,即要比不含中子的氢元素重一些。只要非常缓慢地蒸发液态氢,剩下的就是比氢略中的液态氢同位素。1932年,尤里通过非常精细的实验,并采用新的光谱分析方法,发现了几种不同于氢的光谱线,这几条谱线和理论预言的氢同位素相符,从而揭示了氢同位素——重氢的存在。这个氢的同位素含有一个质子和一个中子,相对质量数为2,又称“氘”,区别于只有一个质子的氢元素“氕”。后来科学家又发现质量数为3的氢同位素,称为“氚”。随着科学的进步,人们发现了氢更多的同位素,到目前为止,已发现的元素有110多种,其中绝大部分都具有同位素,而且大部分同位素具有放射性,会不断衰变成原子序数更小的元素,未必能够稳定存在。1934年,尤里因为氢同位素的发现获得了诺贝尔化学奖。
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