一块数千年前死去的树木，科学家是如何知道它是什么时候被砍伐的呢？秘密就藏在木头里的碳原子之中。即使同样是碳，其中也混有极少量稍重一些的种类，而其中一部分会以恒定的速度消失。可以说，每一个原子里都装着一只时钟。
像这样属于同一种元素、重量却各不相同的原子，被称为“同位素（Isotope）”。它们的化学性质几乎完全相同，但由于原子核中的中子数不同，有的永远保持稳定，有的则会放出射线，变成另一种元素。
本文将依次介绍同位素的含义和原子结构、稳定同位素与放射性同位素的区别、用碳测定时间的方法，以及同位素在医学、能源和气候研究中的应用。
重量不同的双胞胎原子：同位素的原理与用途
位于同一位置的不同原子
原子由中心的原子核和绕着它运动的电子组成，原子核又由质子和中子构成。决定元素种类的是质子的数量。有6个质子的是碳，有8个质子的是氧。
- 原子序数（Atomic Number）：原子核中质子的数量，决定了这是哪一种元素。
- 质量数（Mass Number）：质子数与中子数之和，大致表示原子的重量。
- 同位素（Isotope）：质子数相同、只有中子数不同，因而质量数不同的原子。
由于化学反应主要由电子承担，电子数相同的同位素发生反应的方式几乎一样。“同位素”一词来自希腊语中意为“相同”的isos和意为“位置”的topos，意思是它们在元素周期表中占据同一个格子。1913年，英国化学家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）提出了这一概念，而这个名称是由与他交谈的苏格兰医生兼作家玛格丽特·托德（Margaret Todd）提议的。
稳定的原子与会变化的原子
同位素根据原子核是否稳定，大致分为两类。氢就是最好的例子。
（1）稳定同位素
指随着时间推移也不会发生变化的同位素。普通的氢没有中子，而带有一个中子的氘则重一倍。氘是1931年由美国化学家哈罗德·尤里（Harold Urey）发现的。碳也是如此，大部分是碳-12，约1.1%是多一个中子的碳-13。
（2）放射性同位素
指原子核不稳定、会放出射线并变成另一种原子的同位素。有两个中子的氚，大约12年后会有一半变成氦。
（3）名为半衰期的时钟
放射性同位素减少到最初数量的一半所需的时间，称为半衰期（Half-life）。半衰期即使在温度或压力变化时也几乎不变，因此成为测量时间的精确时钟。经过一个半衰期剩下一半，经过两个剩下四分之一，经过三个剩下八分之一，就这样按固定比例减少。
用碳测定时间的方法
在高空中，来自宇宙的宇宙射线（Cosmic Ray）与空气碰撞，不断生成放射性碳——碳-14。植物通过光合作用吸收这种碳，动物则通过吃植物把它积累在体内。
呼吸停止时，时钟开始走动
生物活着的时候，体内碳-14的比例与大气中大致保持一致。但死亡之后，新的碳不再进入，剩下的碳-14大约每5,730年减少一半。因此，只要测出剩余的量，就能反推出这个生物是什么时候死亡的。
改变考古学的发现
这种放射性碳定年法（Radiocarbon Dating）是20世纪40年代后期由美国芝加哥大学的威拉德·利比（Willard Libby）开发的，他也因此获得了1960年诺贝尔化学奖。不过，年代越久，剩下的量就越少，能够可靠测定的极限通常是约5万年前。
生活与科学中的同位素
同位素在实验室之外也有广泛用途。化学性质相同、只在重量或射线上有所不同，这一点反而成了它们的用处。
（1）发现和治疗疾病的医学
如果把少量放射性同位素注入体内，就可以通过影像追踪它聚集的位置。半衰期约6小时的锝-99m被广泛用于诊断检查，碘-131则用于甲状腺治疗。
（2）核电站的燃料
天然铀中，容易发生核裂变的铀-235只占约0.7%。因此，要用作发电站燃料，就必须经过提高这一比例的浓缩过程。
（3）解读过去气候的冰
含有较重氧-18的水比轻水更难蒸发，也会更早以雨或雪的形式落下。因此，测量南极冰川冰中的氧同位素比例，就能推测那场雪落下时的气温。
（4）揭示产地的标签
植物和动物体内的同位素比例，会因生长地区的水、土壤和气候而略有不同。分析这些差异，就能辨别蜂蜜或葡萄酒等食品中是否掺入了廉价原料，以及是否真的产自标示的地区。
同位素告诉我们，外表看起来一模一样的原子，往里看却各自藏着不同的故事。几个中子的差别，能揭示古代文物的年龄，找出体内的疾病，甚至讲述数十万年前的天气。
了解同名的原子中也蕴含着不同的重量和时间，这正是深入理解看不见的原子世界的第一步。
