会沉底的冰块
普通的冰块会浮在水面上。可是如果用“重水”冻成冰块，放进普通的水里，它会沉下去。重水看起来和普通水一模一样，也是由氢、氧两种元素组成的。它为什么更重？秘密藏在氢原子的原子核里。
同位素
质子数相同、中子数不同的同一元素的原子，互称为同位素isotope。“同位”的意思是：它们在元素周期表中占据同一个位置。（周期表 1.4.2 节正式学；现在知道每种元素在表里占一格就够了，1.3.3 节已经照着查过。）
氢元素有三种同位素：
| 名称 | 符号 | 质子数 | 中子数 | 质量数 |
|---|
| 氕（piē），普通氢 | X11X2121H | 1 | 0 | 1 |
| 氘（dāo），也叫重氢，符号 D | X12X2122H | 1 | 1 | 2 |
| 氚（chuān），也叫超重氢，符号 T | X13X2123H | 1 | 2 | 3 |
重水就是由氘和氧组成的水（DX2O），每个分子比普通水分子重一些，所以它结成的冰比普通水的密度大。
其他常见的同位素：
- 碳：X12X2212C、X13X2213C、X14X2214C。X12X2212C 是相对原子质量的标准（1.3.5 节）；X14X2214C 有放射性，可以用来测定文物的年代。
- 氯：X35X2235Cl、X37X2237Cl。
- 铀：X235X22235U 可以作核电站的燃料。
一种元素可以有好几种同位素。目前已知的元素有一百多种，已知的原子（包括各种同位素）却有三千多种。
同位素的性质
同位素的质子数相同，核外电子数也相同。原子的化学性质主要由核外电子决定，所以同一元素的各种同位素化学性质几乎完全相同：X35X2235Cl 和 X37X2237Cl 都能和钠反应生成氯化钠。
它们的不同在于质量：中子数不同，原子的质量不同，由它们组成的物质在密度等物理性质上会有一点差别，就像重水和普通水。
动手搭同位素
增减中子，看看元素变不变、原子核稳不稳定。依次搭出氢和碳的同位素：
动手试试：增减质子、中子、电子，搭一个原子
挑战：搭出下面的粒子（搭对了会打勾）X11X2121HX12X2122HX13X2123HX612X26212CX613X26213CX614X26214C 示意图，不按比例：真实的原子核直径只有原子的十万分之一左右。
例题 1：比较两种氯原子
比较 X1735X217235Cl 和 X1737X217237Cl 的质子数、中子数、电子数和化学性质。
分步解析
- 质子数。 两者原子序数都是 17，质子数都是 17，是同一种元素。
- 中子数。 X35X2235Cl：35 − 17 = 18；X37X2237Cl：37 − 17 = 20。中子数不同。
- 电子数。 都是原子，电子数 = 质子数 = 17。
- 结论。 它们互为同位素。核外电子相同，所以化学性质几乎相同；质量不同。
例题 2：质量数相同就是同位素吗？
X1840X218240Ar 和 X2040X220240Ca 的质量数都是 40，它们互为同位素吗？
分步解析
- 看质子数。 氩的质子数是 18，钙的质子数是 20，不相同。
- 定元素。 质子数不同，就是两种不同的元素。
- 结论。 它们不是同位素。同位素必须是同一元素，也就是质子数相同；质量数相同没有意义。
练一练：下面两种粒子互为同位素吗？
X12X2212C 和
X14X2214C 都是碳原子，质子数都是 6，中子数分别为 6 和 8。
X1840X218240Ar 和
X2040X220240Ca 质子数不同，是两种元素。质量数相同不能说明什么。
X35X2235Cl 和
X37X2237Cl 都是氯原子，中子数分别为 18 和 20。
X1X221H 和
X3X223H 都是氢原子，中子数分别为 0 和 2。
OX2 和
OX3 同位素说的是原子。OX2 和 OX3 是两种由氧元素组成的单质（分子），不是同位素。
X14X2214N 和
X14X2214C 一个是氮（7 个质子），一个是碳（6 个质子），是两种元素。
X235X22235U 和
X238X22238U 都是铀原子，质子数都是 92，中子数分别为 143 和 146。
HX2O 和
DX2O 这是两种分子（化合物），不是原子。只能说其中的 H 和 D 互为同位素。
常见误区
误区 1：“同位素是不同的元素。” 同位素质子数相同，是同一种元素的不同原子。氕、氘、氚都是氢元素。
误区 2：“质量数相同的原子互为同位素。” 同位素看的是质子数相同、中子数不同。X40X2240Ar 和 X40X2240Ca 质量数相同，却是两种元素。
误区 3：“同位素的化学性质差别很大。” 同位素的核外电子相同，化学性质几乎相同。不同的主要是质量，以及原子核是否有放射性。
即时小测
X12X2212C、X13X2213C、X14X2214C 三种原子中，不同的是？
它们都是碳原子，质子数（核电荷数）和电子数都是 6，只有中子数不同，分别为 6、7、8。
下列各组中，互为同位素的是？
同位素必须是同一元素的原子、中子数不同。A、C 是物质（分子），D 是两种元素。
小结
- 质子数相同、中子数不同的同一元素的原子互称同位素，它们在周期表中占同一个位置。
- 氢有氕、氘、氚三种同位素；碳-14 可用于测定年代，铀-235 可作核燃料。
- 同位素核外电子相同，化学性质几乎相同；质量不同，物理性质略有差别。
- 判断同位素：先看是不是原子，再看质子数是否相同、中子数是否不同。
通往 AP（以后再看）
AP U1.2 的质谱（mass spectrometry）能把一种元素的各种同位素按质量分开：质谱图上每个峰对应一种同位素，峰的高度代表它的相对含量。下节课就用这些含量算出元素的相对原子质量。