原子結構同同位素：由核素符號到原子量

以量度單位表示嘅質子、中子同電子

以元電荷 e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C 為單位，質子帶 +1 電荷，電子帶 −1。中子不帶電荷。質量通常以統一原子質量單位表示（u，又稱道爾頓，Da），其中 1 u 係一個碳-12 原子質量嘅十二分之一，即 1.6605 × 10⁻²⁷ kg。

根據 NIST 公佈嘅 2022 CODATA 數值，質子係 1.007276 u，中子係 1.008665 u，電子係 0.000549 u。質子大約比電子重 1836 倍，所以原子嘅質量幾乎全部集中喺原子核。原子核亦都好細：佢嘅半徑數量級係 10⁻¹⁵ m，而原子嘅半徑數量級係 10⁻¹⁰ m。因此，電子決定原子嘅大小同化學性質，而原子核決定佢嘅質量。

閱讀核素符號同數出離子中嘅粒子

原子序 Z 係質子數目。佢定義咗元素：每個有 17 個質子嘅原子都係氯。質量數 A 係質子同中子嘅總數，所以中子數係 A − Z。核素符號將 A 寫成元素符號左上角嘅上標，Z 寫成左下角嘅下標，例如 ³⁵₁₇Cl。由於符號本身已經確定咗 Z，下標通常會省略，寫成 ³⁵Cl 或者氯-35。

只有喺中性原子中，電子數先等於質子數。帶電荷 q 嘅離子有 Z − q 個電子，所以正電荷表示電子較少，負電荷表示電子較多。電荷永遠唔會改變原子核。

實例 1。對於 ⁵⁶Fe³⁺：Z = 26，所以有 26 個質子；56 − 26 = 30 個中子；26 − 3 = 23 個電子。對於 ¹²⁷I⁻：53 個質子、127 − 53 = 74 個中子，以及 53 + 1 = 54 個電子。對於 ³⁴S²⁻：16 個質子、18 個中子同 18 個電子。留意 ³⁴S²⁻ 嘅電子數同氬原子相同；令離子成為等電子體嘅係相同嘅電子數，而唔係相同嘅質量數。

點解同位素反應相似，但質量唔同

同位素係 Z 相同、但中子數唔同嘅原子。氯-35 同氯-37 都有 17 個質子，作為中性原子亦都有 17 個電子。化學性質由電子控制，所以兩種同位素會以相同比例形成相同嘅化合物。

取決於質量嘅性質確實有輕微差異。喺特定溫度下，較輕嘅分子移動得較快，而連接較重同位素嘅鍵反應得稍為慢啲。對重元素嚟講，呢啲效應好細。鈾濃縮就顯示出有幾細。根據格雷姆定律，²³⁵UF₆ 同 ²³⁸UF₆ 嘅隙流速率之比係 √(M₂/M₁)。使用 NIST 同位素質量，M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol，M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol，所以比值係 √(352.041/349.034) = 1.0043。通過屏障一次，只能令較輕嘅同位素濃縮少於百分之零點五，所以濃縮廠需要串聯好多級。

加權平均數：由同位素質量到原子量

週期表上嘅原子量唔係任何一個原子嘅質量。佢係一個正常樣本中該元素原子嘅平均質量，按每種同位素有幾常見加權。將每種同位素嘅質量乘以佢嘅分數豐度，再將乘積相加。各分數之和必須等於 1。

實例 2。鎂有三種穩定同位素。根據 NIST 原子量同同位素組成表：²⁴Mg，23.985042 u，豐度 0.7899；²⁵Mg，24.985837 u，0.1000；²⁶Mg，25.982593 u，0.1101。乘積係 18.94578、2.49858 同 2.86068 u，總和係 24.30505 u。如果對四位數嘅豐度嚴格應用有效數字規則，結果會修約為 24.31 u。保留三個小數位就係 24.305 u，即大部分週期表上印住嘅慣用數值。

用氯做同樣嘅計算，使用 ³⁵Cl 為 34.968853 u、豐度 0.7576，以及 ³⁷Cl 為 36.965903 u、豐度 0.2424：26.4924 + 8.9605 = 35.453 u。快速估算可以揪出錯誤：平均值必須介乎各同位素質量之間，並且較接近豐度較高嗰種。

倒推求出同位素豐度

如果一個元素有兩種同位素，而你知道原子量，就可以解出豐度。設第一種同位素嘅分數為 x；咁第二種就係 1 − x。將加權平均寫成方程式，再解出 x。

實例 3。銅嘅標準原子量係 63.546，有兩種穩定同位素：⁶³Cu 為 62.929598 u，⁶⁵Cu 為 64.927790 u（NIST）。於是 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546。整理後得 x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915。所以銅有 69.15% 係 ⁶³Cu，30.85% 係 ⁶⁵Cu，重現咗 NIST 嘅豐度 0.6915 同 0.3085。

呢個方法只適用於兩種同位素。如果有三種，一個平均值只能給出一條含兩個未知數嘅方程式，你需要另一項量度，例如質譜。

質譜中嘅同位素圖樣

質譜儀將樣本電離，按質荷比分離離子，並記錄喺每個數值有幾多離子到達。對於單一元素，峰高直接給出同位素豐度。對於分子，同位素會組合起嚟，產生可辨認嘅圖樣。

實例 4。預測 Cl₂ 嘅分子離子圖樣。設 ³⁵Cl 嘅 p = 0.7576，³⁷Cl 嘅 q = 0.2424。一個分子係 ³⁵Cl–³⁵Cl（質量 70）嘅概率係 p² = 0.5740，係 ³⁵Cl–³⁷Cl（質量 72）嘅概率係 2pq = 0.3673，係 ³⁷Cl–³⁷Cl（質量 74）嘅概率係 q² = 0.0588。因子 2 計算咗每種各一個嘅兩種組合方式。以最高峰為 100 縮放，圖樣係 100 : 64.0 : 10.2。

由此得出兩個捷徑。含一個氯原子嘅化合物會出現相差兩個質量單位、比例約為 3 : 1 嘅峰，因為 p/q = 3.13。含一個溴原子嘅化合物會出現兩個高度幾乎相等嘅峰，因為 NIST 列出 ⁷⁹Br 為 0.5069，⁸¹Br 為 0.4931。

會失分嘅原子結構錯誤

大部分錯誤來自混淆三個數目，或者將原子量當成單一原子嘅性質。數任何嘢之前，先寫低 Z、A 同電荷。

• 為咗形成離子而改變質子數。電荷只會改變電子；質子決定元素。
• 為正離子加電子。3+ 離子比原子少三個電子。
• 將原子量當成質量數。冇任何氯原子嘅質量係 35.45 u；佢係約 35 u 同 37 u 原子嘅平均值。
• 將百分比當作分數使用而冇除以 100，令平均值大咗 100 倍。
• 預測質譜時，忘記混合同位素對（例如 ³⁵Cl–³⁷Cl）嘅因子 2。
• 因為兩個核素質量數相同，就叫佢哋做同位素。¹⁴C 同 ¹⁴N 嘅 A 相同，但係唔同元素。

質量虧損同區間原子量

用 CODATA 質量將六個質子、六個中子同六個電子相加，得出 12.0989 u，但一個碳-12 原子正好係 12 u。少咗嘅 0.0989 u，約佔總數 0.82%，對應原子核形成時釋放嘅能量。呢個質量虧損就係同位素質量唔係整數嘅原因，亦都係核結合能嘅起點。

對於某啲元素，唔同天然來源之間嘅同位素組成差異夠大，所以 IUPAC 同位素豐度及原子量委員會報告一個區間，而唔係單一數值。氯列為 [35.446, 35.457]，鎂列為 [24.304, 24.307]。進行一般計算時，除非你嘅課程另有規定，否則使用慣用嘅單一數值 35.45 同 24.305。