原子是大千世界的基本微粒，也是化学反应中不可分割的基本微粒。原子由带正电荷的质子和不带电荷的中子构成的原子核以及带负电荷的核外电子组成。原子核占原子质量的99.95%，而电子约占0.05%，中子质量略大于质子与电子质量之和。

自19世纪末发现了放射性以后，对原子结构的研究引起了人们的重视。1910年英国化学家索迪(F.Soddy)提出了同位素的假说：元素是具有相同的核电荷数(即核内质子数)的一类原子的总称，同位素就是种元素存在着质子数相同而中子数不同的儿种核素。也就是说，具有相同质子数但中子数不同的同一元素的不同核素互为同位素，因在元素周期表上原子序数相同，并占据同一位置而得名。

核素分述为稳定性核素和放射性核素。例如，对氧元素而言，¹H、²H、³H是三个不同的核素，¹H、²H、³H互为同位素；³H是放射性核素，³H是¹H、³H的放射性同位素；¹H、²H是稳定性同位素，¹H和²H是两个不同的稳定性核素。在理解了核素和同位素的相互关系及意义后，有人也将稳定性核素称为稳定性同位素，将放射性核素称为放射性同位素。

同位素的质子数、核电荷数和核外电子数都是相同的(质子数=核电荷数=核外电子数)，并具有相同电子层结构，因此，同位素的化学性质是相同的。但由于它们的中子数不同，这就造成了各同位素质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质(如放射性等)也有所不同。

同位素的发现和定义，使人们对原子的认识更深一步。特别是稳定同位素和放射性同位素的研究和应用在过去的一个多世纪以来的时间里更为深入，并取得了重大成果。

有放射性的同位素称为“放射性同位素”，没有放射性的称为“稳定同位素”(stableisotope)。到2012年为止，已有118种元素被发现，其中94种是自然存在于地球上，只有二十多种元素未发现稳定同位素，但所有的元素都有放射性同位素，原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。大多数天然元素都是由几种同位素组成的混合物。例如，氧的同位素已知的有17种，包括氧-13～氧-24，其中氧-16、氧-17和氧-18三种属于稳定型，其他己知的同位素都带有放射性。含稳定同位素最多的元素是锡，其有10种稳定同位素。目前已发现稳定同位素274种，而放射性同位素有两千多种。

一、稳定同位素在化学领域中的应用

(一)质谱

同一元素的同位素的化学性质虽然基本相同，但由于质量数不同，所以物理性质有差异。大多数天然元素都由于质量数不同而存在多种稳定的同位素，而每种元素的同位素都有相对丰度(isotopic relative abundance)，这给结构分析带来了很大便利。

元素氢的同位素相对丰度：¹H=99.985%，²H(D)=0.015%，³H(T)极微量。

元素碳的同位素相对丰度：¹²C=98.893%，¹³C=1.107%，¹⁴C极微量且具放射性。

元素氮的同位素相对丰度：¹⁴N=99.64%，¹⁵N=0.36%。

元素氧的同位素相对丰度：¹⁶O=99.76%，¹⁷O=0.04%，¹⁸O=0.20%。

元素氯的同位素相对丰度：³⁵C1=75.77%，³⁷Cl=24.23%。

已经发现氯有16个同位素，其中³⁵C1和³⁷C1是稳定的，其他极其微量，计算原子量时可以忽略不计。这样，取氯的两个主要同位素²⁵C1和³⁷Cl，以及这两个主要同位素的原子量和相对丰度计算，氯的原了量为34.969×0.7577+36.966×0.2423≈35.453。

利用同一元素由于中子数不同而导致质量数不同的同位素相对丰度，其质谱中同一类碎片强度就会由于质量之差而呈相对丰度比例的梯度差，这在碎片跟踪、碎片元素组成、分析化合物的结构上有着非常重要的鉴定意义。

(二)核磁共振

同位素在核磁共振上的应用已经非常普及，见图18-1。

图18-1同位素在核磁共振上的应用

一些氘代溶剂可以溶解相应的样品，利用其中的氘信号来锁场。代试剂中的2H属于稳定同位素，见图18-2。

图18-2各种氘代试剂

常用的A代溶剂有；氯仿-d3、甲醇-d4、重水-d2、二甲亚砜-d6、丙酮-d6、乙腈-d3、三氟乙酸-d、硫酸-d2等。对于氘代溶剂中的漏网之鱼(¹H)，以及在不同氘代溶剂环境中各种不同基团的质子¹H NMR化学位移可以参见Journal of Organic Chemistry(1997，Vol.62，No.21，7513)。

现代核磁共振也可以用¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹p等其他核素来锁场，但是可能需要改变相应的仪器配置。

(三)同位素示踪法

用同位素标记化合物已经被广泛用在免疫学、分子生物学、遗传工程研究和发展基础核医学中，发挥着重要作用。例如，用同位素氧-18标记化合物跟踪反应历程、推断和确证反应机理等，酯化反应的反应机理就是同位素示踪法的成功例子。

二、稳定同位素与毒害性

同位素与毒害是不能画等号的，不必谈素(同位素)色变，既存在有毒有害的同位素(如放射性同位素)，也有无毒无害的同位素。例如，钠离子是否有毒，与钠本身没有关系，氯化钠没有毒，人们每天都在食用它(但不能把它当饭吃)，而同为钠盐的氰化钠却是剧毒品。氮气无毒，空气中含氮78%，但是不能只吸氮气，否则会缺氧空息导致生命终止。

物质世界主要由稳定同位素组成，稳定同位素又分为轻稳定同位素和重稳定同位素。某一元素中质量较大的同位素，相对于质量较小的同位素而言，称为重同位素，反之称为轻同位素。

人体主要由氢、碳、氮、氧元素组成，以70kg人体质量计，大约含270g重同位素及轻同位素。人体不但无时无刻不在接触同位素或受到放射性同位素的有害照射，而且每天都在直接摄取(吸入和食入)重同位素。初步研究认为喝重水可以延长寿命，只在体内有高含量的²H时(占体重的15%)才会对哺乳动物产生显著性毒性。自首次发现同位素至今的一个世纪时间里，药理、毒理学研究者对稳定重同位素的毒性、致畸及致突变反应进行了大量探讨。小鼠体内¹³C含量增加到总碳含量的15%～20%，未观察到致畸反应。用于饲养小鼠的水及空气中的氧90%以180取代，观察三代也未出现毒性和致畸反应。

文章来源：《有机合成安全学》

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