同位素的概念最早是在20世纪初被科学家提出的。在放射性研究领域的早期实验中，科学家们发现在同一元素的样品中存在着不同质量的原子，这些原子具有相同的化学性质，但质量不同。
1912年，英国化学家J.J.汤姆孙通过实验发现，气体放电管中的氢气和氮气在经过燃烧后产生的正离子具有不同的质荷比（质量和电荷之比）。这表明这些气体中存在着不同的同位素。
随后，其他科学家也开始进行类似的实验，并发现了更多的同位素。例如，英国化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿发现了质量为40的氩同位素和质量为80的硒同位素。
通过对不同同位素的研究，科学家们逐渐认识到同位素是由具有相同原子序数（即原子核中质子的个数相同）但质子和中子数不同的原子组成的。这一发现对于后来的核子模型和核能研究有重要的影响。
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