地球/3c. 核素表
1940年4月9日，納粹德國入侵中立的挪威的訊息透過廣播傳出。萊夫·特隆斯塔德當時正在挪威科技大學的特隆赫姆分校為他的化學課上課。特隆赫姆位於挪威北部。當聽到這個訊息時，作為受過軍事訓練的軍官，萊夫·特隆斯塔德立即通知他的學生，他們現在處於戰爭狀態，並要求他們到最近的軍事基地報到，拿起武器。他和家人離開特隆赫姆，開車六個小時向南前往奧斯陸，幫助保衛國家，但半路，他們收到了奧斯陸被納粹佔領的噩耗。他在朗德訥國家公園崎嶇的山區，多夫勒山脈尋找避難所。在那裡，他訓練志願者使用步槍，以抵禦入侵的敵人。萊夫·特隆斯塔德是一位深受喜愛的化學教授，一直在研究一種新發現的物質。這種物質將改變二戰的程序，並導致原子武器的誕生。1940年5月，萊夫·特隆斯塔德得知，為他的實驗室生產這種物質的工廠現在已經落入納粹手中，他們已經命令被俘的挪威操作員增加產量。這種物質被稱為同位素，它不會出現在元素週期表上。
二十七年以前，化學家弗雷德里克·索迪參加了在蘇格蘭妻子家族舉辦的晚宴。在晚餐期間，他和一位名叫瑪格麗特·託德的客人進行了討論。託德是一位退休的醫生。對話可能轉向了索迪正在進行的關於原子結構和放射性的研究。索迪最近發現，原子在外表上可以是相同的，但在內部卻存在差異。這種差異不會出現在標準元素週期表上，元素週期表是按照電子和質子的數量來排列元素的。索迪試圖想出一種不同的方式來排列這些新物質。瑪格麗特·託德建議使用“同位素”這個詞來描述這些物質，Iso- 意為相同，-tope 意為位置。索迪很喜歡這個詞，並在那年晚些時候發表了一篇論文，使用了“同位素”這個新詞，用來表示原子核中中子數量不同，但質子數量相同的原子。
質子和中子只存在於原子的中心，即原子核中，被稱為核素。組織不同型別原子的一個更好的方法是繪製原子核中質子數(Z)和中子數(N)的圖表（參見https://www.nndc.bnl.gov/ 獲取互動式圖表）。與元素週期表不同，每一種原子型別都可以繪製在這樣的圖表上，包括自然界中不存在或極不穩定（放射性）的原子。這種型別的圖表被稱為核素表。
例如，我們可以有一個質子數為 1，中子數為 0 的原子，它被稱為氫。但是，我們也可以有一個質子數為 1，中子數為 1 的原子，它也被稱為氫。元素的名稱只表示質子數。事實上，理論上你可以有質子數為 1，中子數為 13 的氫。然而，這樣的原子似乎在地球上不存在，因為在給定的地球壓力和溫度下，讓 13 箇中子與一個質子結合在一起幾乎是不可能的。然而，這樣的原子可能存在於密度極高的恆星中。一個質子數為 1，中子數為 13 的氫的性質與普通氫相似，但其原子質量為 14（1 + 13），這使得它比普通氫（原子質量為 1）重得多。原子質量是原子中質子和中子的總數量。
大多數核素表不包括尚未被觀測到的原子，然而，人們已經發現了質子數為 1，中子數為 1 的氫，它被稱為氫的同位素。同位素是指質子數相同但中子數不同的原子。同位素可以是穩定的，也可以是不穩定的（放射性）。例如，氫有兩種穩定的同位素，一種是質子數為 1，中子數為 0 的原子，另一種是質子數為 1，中子數為 1 的原子，但質子數為 1，中子數為 2 的原子是放射性的。請注意，原子質量因同位素而異，因此我們可以將質子數為 1，中子數為 0 的氫同位素（原子質量為 1）稱為輕氫，而將質子數為 1，中子數為 1 的氫同位素（原子質量為 2）稱為重氫。科學家通常將同位素稱為輕同位素或重同位素，或者用上標字首表示，例如 1H 和 2H，上標字首表示原子質量。
1931年，哈羅德·尤里及其同事費迪南德·G·布里克韋德和喬治·M·墨菲在芝加哥大學分離了重氫（2H），他們反覆蒸餾液態氫，以淨化液態氫，使其含有更多的重氫。在發現重氫後，哈羅德·尤里將這種原子命名為氘（有時縮寫為 D）。只有氫的同位素有名稱，其他所有元素只用它們的原子質量數表示，例如14碳（即碳-14）。數字表示原子質量，即質子數和中子數之和，所以14C（碳-14）有 6 個質子和 8 箇中子（6 + 8 = 14）。
含有 1 個質子的氫和含有 1 個質子和 1 箇中子的氫在與其他原子的成鍵性質方面表現相似，很難區分它們。無論有多少箇中子，氫原子都只有一個電子，與質子數相匹配。
然而，由於質量不同，它們的物理性質略有差異。例如，1H 在受到光子的照射時會釋放 7.2889 Δ(MeV) 的能量，而2H（氘）會釋放 13.1357 Δ(MeV) 的能量，稍微多一點，因為原子核的質量更大，並且在氘中，電子軌道殼比典型的氫原子更靠近原子核幾個普朗克長度。激發的電子將有更遠的距離下降，並釋放更多的能量。同位素在化學性質上的這些細微差異使得它們能夠進行分餾。分餾是指透過富集或耗竭物質中各種同位素來改變物質中各種同位素的丰度或比例的過程。
含有氘（重氫）的水沸點較高，為101.4攝氏度（1個大氣壓），而普通水的沸點為100攝氏度（1個大氣壓）。氘在自然界中十分稀少，僅佔氫原子總數的0.0115%。因此，要分離出氘，需要反覆蒸發大量的水，並保留每次蒸發後的最後幾滴，以提高水中氘的濃度。製備重水成本高昂，因為需要大量普通水並進行反覆蒸餾。這是一種分餾過程。
1939年，氘被發現對生產鈽-239（239Pu）至關重要，鈽-239是一種用於製造原子武器的放射性同位素。瑪麗·居里的女兒伊雷娜·約里奧-居里和她的丈夫弗雷德里克·約里奧-居里在1939年發表在同行評審期刊《自然》上的一篇文章中描述了強力鈽-239的威力及其如何利用氘來減緩自由中子，從而從鈾中製造出來。這篇文章引起了納粹德國極大的興趣，並掀起了一場生產氘的運動。氘與水分子中的氧結合形成重水。1940年，德國入侵挪威，佔領了位於挪威特勒馬克的維默克水力發電站（位於留坎瀑布），該發電站此前為利夫·特隆斯塔德的實驗室生產氘，但現在已能夠為德國人生產用於生產鈽-239（239Pu）的同位素氘。
利夫·特隆斯塔德需要向世界發出警告，德國很快將擁有製造鈽-239（239Pu）炸彈的能力。但是，挪威的戰況並不樂觀，很快北部城市特隆赫姆就投降了，利夫·特隆斯塔德成為了被納粹德國佔領的國家中的抵抗戰士。他向英國發送了一條密碼資訊，警告他們德國正在加大對氘的生產。但他無法確認資訊是否已收到，因此他必須逃離挪威並向世界發出警告。利夫·特隆斯塔德從他家人的小屋出發，帶著滑雪板越過挪威與瑞典的邊界，並找到了前往英國的通道。到達英國後，他的警告引起了溫斯頓·丘吉爾的嚴重關注，丘吉爾後來寫道：“重水——一個不祥的術語，怪異的，不自然的，開始滲入我們的秘密檔案。如果敵人比我們先獲得原子彈，怎麼辦！我們不能冒著在這個可怕的領域被超越的致命風險。”
利夫·特隆斯塔德希望領導任務重返挪威，但英國命令他訓練挪威難民，而不是親自返回執行不可能的任務。1941年，哈羅德·尤里訪問了英國，利夫·特隆斯塔德敦促尤里說服富蘭克林·德拉諾·羅斯福總統，盟軍需要在德國之前研製出原子武器。被佔領的挪威挪威水力公司重水生產廠維默克水力發電站為納粹德國提供了先機。美國軍方想要從空中轟炸該廠，但該廠位於七層混凝土牆的掩護下，防禦嚴密。利夫·特隆斯塔德懇求不要轟炸該廠，以避免造成平民傷亡，因為該廠還生產無水氨，這是一種極易爆炸的物質。1942年11月，第一批任務小組被派往挪威，由兩支突擊隊領導。當第二組的飛機在惡劣天氣中偏離航線墜毀時，大多數突擊隊員在墜毀中喪生，倖存者被德國士兵處決。第一組已降落在冰凍的地形上，現在被孤立了，不得不獨自面對嚴酷的冬季，躲避德國軍隊在附近山區巡邏和飢餓。德國人現在也驚恐地意識到攻擊迫在眉睫。1943年2月，一支挪威特種部隊空降到敵後，將被困在山區的隊伍轉移。在夜色的掩護下，小組攀登了山谷中岩石峭壁，衝進工廠的生產車間。小組用塑膠炸藥炸燬了車間，然後逃離了冰冷的山區。任務取得了成功，然而，在1943年夏天，工廠修復了。美國空軍的轟炸襲擊摧毀了這座城市。剩餘的重水將被運回德國，但在1944年2月，運載重水的船隻在一次破壞行動中被炸沉。到1944年10月，利夫·特隆斯塔德重返挪威，成為抵抗戰士。不幸的是，他在1945年3月行動中喪生，距離盟軍在1945年8月對日本城市廣島和長崎投擲第一顆原子彈只有幾個月。原子彈造成大約20萬人喪生，為戰爭帶來了戲劇性的結束。
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廣島上空的原子彈爆炸，造成超過66,000人喪生 -
長崎上空的原子彈爆炸，造成超過80,000人喪生。
瞭解同位素以及如何閱讀核素圖，可以理解原子能的可怕本質。例如，氫還有另一種同位素，包含1個質子和2箇中子，稱為氚（3H），原子質量為3。與穩定的氘不同，氚具有很強的放射性，將在幾年內衰變，半衰期為12.32年。半衰期是指一半原子衰變所需的時間，因此在12.32年後，將剩下50%的原子，在24.64年後，將剩下25%的原子，每經過12.32年，剩下的氚的百分比就會減少一半。作為一種強放射性同位素，氚是在氫原子彈（H彈）內部透過用自由中子裂變穩定的同位素6-鋰（6Li）的過程產生的，自由中子就像催化劑一樣，透過增加這種衰變過程中的能量釋放來發揮作用。在自然界中，氚不存在，因為它衰變得太快，但它是戰爭後1952年首次進行測試的威力更大的氫彈或氫彈核輻射中的一種放射性成分。
有沒有包含1個質子和3箇中子的氫原子？沒有，因為似乎具有這種構型的原子無法存在，具有3、4、5和6箇中子的氫原子衰變得如此之快，幾乎不可能檢測到它們。當氫原子被中子轟擊時，可以測量釋放的能量，但這些原子非常不穩定，無法存在任何時間長度。事實上，對於大多數質子和中子組合，自然界中不存在原子。質子和中子的數量似乎大體相同，但原子越大，存在的中子就越多。例如，鈽包含94個質子，是自然界中質子數量最多的元素，但包含145到150箇中子來將這些質子結合在一起，即使有這些中子，所有鈽同位素都是放射性的，放射性244Pu同位素的半衰期最長，為8000萬年。鿫（294Og）是迄今為止合成的最大同位素，擁有118個質子和176箇中子（118+176=294），但半衰期只有0.69微秒！
有252種元素的同位素不衰變，是穩定同位素。最大的穩定同位素被認為是209Bi，但最近發現它衰變得非常非常慢，半衰期是宇宙年齡的一百多億倍。已知最大的穩定同位素是208Pb（鉛），擁有82個質子和126箇中子。鉛實際上有三種穩定同位素，206Pb，207Pb和208Pb，它們似乎都不會隨時間衰變。
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