具有相同核电荷但原子质量不同的原子(核素)被称为同位素。自19世纪末发现放射性以来,到20世纪初,人们已经发现了30多种放射性元素,并且证实有些放射性元素虽然放射性强弱不同,但化学性质却完全一样。
1910年,英国化学家F.索迪提出了一个假说:化学元素存在原子量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种,并认为这些变种应当处于周期表的同一位置上,称作同位素。不久之后,人们从不同的放射性元素中发现了一种铅,其原子量分别为206.08和208。
1897年,英国物理学家W.汤姆逊发现了电子,并在1912年改进了测量电子的仪器,利用磁场制作了一种磁分离器(质谱仪的前身)。当使用氖气进行测试时,无论怎样提纯,屏上显示的却是两条抛物线:一条代表质量为20的氖,另一条则代表质量为22的氖。这就是首次发现的稳定同位素,即无放射性的同位素。
随后,F. W.阿斯顿制成第一台质谱仪后进一步证明,氖确实具有原子量不同的两种同位素,并从其他70多种元素中发现了超过200种同位素。截至目前,已确认存在的109种元素中,只有20种未发现稳定的同位素,但所有的元素都存在放射性同位素。
大多数天然元素是由几种不同原子质量的同位素组成的混合物,其中稳定同位素约有300多种,而放射性同位素则多达1500种以上。