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稳定核素

稳定核素（Stable nuclide），又称作稳定同位素（Stable isotope），是指不会发生放射性衰变的核素。[1]已知的稳定核素总共有251种，周期表中共有80个元素拥有至少一个稳定同位素，而其余没有稳定同位素的元素称作放射性元素。[2]

依核稳定性上色的核素图：（Z为质子数；N为中子数）
黑色 – 稳定核素（皆为原始核素（英语：Primordial nuclide））
红色 – 长寿的原始放射性核素
其他颜色 – 非原生的放射性核素，稳定性从橙色到白色逐渐降低

定义

原子核中不同数目的质子和中子的组合会影响其稳定性，因此每种核素的核稳定性各不相同。若某核素的原子核足够稳定，不会衰变成其他核素，则称为稳定核素或稳定同位素。反之，原子核不稳定、会发生放射性衰变者，则称为放射性核素。

已知的稳定核素共有251个，分别属于80个化学元素，即原子序1至82号的所有元素（43号锝和61号钷除外）。而原子序数大于82的元素以及锝和钷都没有稳定同位素，即所有同位素都具有放射性，被称为放射性元素。在这80种有稳定同位素的元素中，有26个元素只存在一种稳定同位素，称为单一同位素元素[2]，其他的元素则有不止一种的稳定同位素，其中锡有10种稳定同位素，是具有最多种稳定同位素的元素。

稳定性

质子数或中子数为偶数（尤其是2、8、20、28、50、82、126等幻数）的核素通常具有较高的稳定性。在251个稳定核素中，有145个的质子数和中子数皆为偶数，而质子数和中子数皆为奇数的稳定核素只有5个。周期表的前82种元素中，绝大多数原子序（即质子数）为偶数的元素都具有多个稳定同位素，尤其是原子序为幻数50的锡元素有多达10种稳定同位素，而原子序为奇数者超过半数都是单一同位素元素。4号元素铍是单一同位素元素中唯一一个原子序为偶数的元素。没有稳定核素的质子数目为43（锝）、61（钷）和83（铋）以上的数目，而没有稳定核素的中子数目包括19、21、35、39、45、61、89、115、123和127以上的数目。

理论计算显示，251个稳定核素中只有146种（最重的为镝-164）不会发生任何放射性衰变（不考虑尚未证实的质子衰变），属于完全稳定的核素；而其余106种核素在能量上应该会发生某种放射性衰变（α衰变、β衰变或电子捕获），然而目前尚未观察到任何它们发生衰变的现象，故称这些核素为观测上稳定的核素。这些核素的预测半衰期往往远超宇宙的估计年龄（可长达1018年或更长）。一旦检测到这些核素的衰变迹象，则其将会被归为放射性核素，例如铋-209和钨-180在过往被视为稳定核素，但后来科学家发现他们其实是寿命极长的放射性核素，会发生α衰变，半衰期分别为2.01×1019年和1.8×1018年。[3][4]

另外，理论上所有比铌-93重（含）的核素都有可能自发裂变，然而目前观测到会进行此衰变的最轻核素为钍-232。

钽-180m是251个稳定核素中唯一的核同质异能素，尽管核同质异能素的亚稳态原子核说明了其应会发生同核异构跃迁，释出γ射线并衰变回基态原子核，但目前尚未观察到任何其发生衰变的现象，其发生γ衰变之半衰期的理论下限值为4.5×1016年。[5][6]其他钽-180m可能发生的衰变模式（β衰变、电子俘获和α衰变）至今也从未被观察到。[7]反观其基态核素钽-180的半衰期仅约8小时。

来源

地球上大多数稳定核素是在大爆炸或恒星核合成过程中生成的，自形成后便稳定存在至今，称作原始核素（英语：Primordial nuclide）。除了稳定核素外，原始核素也包括一些半衰期极长的天然放射性核素，如钾-40、钙-48、钍-232、铀-238等。由于它们衰变速率缓慢，这些放射性核素的原子从形成之初经历数十亿年后仍得以相当的量存留到现在。

由于长寿放射性核素的衰变也会形成稳定核素，一些稳定核素的丰度在部分矿石中会有所变化，例如自然界三大衰变链的最终产物皆为铅的不同稳定同位素，矿物中放射性核素的组成不同会导致其所含铅同位素的比例有所差异。[8]

丰度

由于稳定核素不会发生衰变，能在自然界中持续以稳定的量存在，因此丰度往往远高于放射性核素。意即在自然界中，一个非放射性元素的天然同位素比例往往是稳定同位素占绝大部分甚至全部，而放射性同位素仅占小部分或痕量，例如稳定的碳-12和碳-13分别占天然碳的98.9%和1.1%，而具放射性的碳-14仅痕量存在。不过铟、碲和铼等三个元素为特例，它们三者虽然有稳定同位素，但其在地壳中丰度最高的同位素为长寿的原始放射性同位素，例如放射性铟-115占天然铟的95.72%，而稳定的铟-113在天然铟中的丰度仅占4.28%。[9]

稳定核素列表

共251个。

  1. 氢-1（氕）
  2. 氢-2（氘）
  3. 氦-3
  4. 氦-4
    没有质量数为5的稳定核素
  5. 锂-6
  6. 锂-7
    没有质量数为8的稳定核素
  7. 铍-9
  8. 硼-10
  9. 硼-11
  10. 碳-12
  11. 碳-13
  12. 氮-14
  13. 氮-15
  14. 氧-16
  15. 氧-17
  16. 氧-18
  17. 氟-19
  18. 氖-20
  19. 氖-21
  20. 氖-22
  21. 钠-23
  22. 镁-24
  23. 镁-25
  24. 镁-26
  25. 铝-27
  26. 硅-28
  27. 硅-29
  28. 硅-30
  29. 磷-31
  30. 硫-32
  31. 硫-33
  32. 硫-34
  33. 硫-36
  34. 氯-35
  35. 氯-37
  36. 氩-36（理论上会发生双电子捕获）
  37. 氩-38
  38. 氩-40
  39. 钾-39
  40. 钾-41
  41. 钙-40（理论上会发生双电子捕获）
  42. 钙-42
  43. 钙-43
  44. 钙-44
  45. 钙-46（理论上会发生双β衰变）
  46. 钪-45
  47. 钛-46
  48. 钛-47
  49. 钛-48
  50. 钛-49
  51. 钛-50
  52. 钒-51
  53. 铬-50（理论上会发生双电子捕获）
  54. 铬-52
  55. 铬-53
  56. 铬-54
  57. 锰-55
  58. 铁-54（理论上会发生双电子捕获）
  59. 铁-56
  60. 铁-57
  61. 铁-58
  62. 钴-59
  63. 镍-58（理论上会发生双电子捕获）
  64. 镍-60
  65. 镍-61
  66. 镍-62
  67. 镍-64
  68. 铜-63
  69. 铜-65
  70. 锌-64（理论上会发生双电子捕获）
  71. 锌-66
  72. 锌-67
  73. 锌-68
  74. 锌-70（理论上会发生双β衰变）
  75. 镓-69
  76. 镓-71
  77. 锗-70
  78. 锗-72
  79. 锗-73
  80. 锗-74
  81. 砷-75
  82. 硒-74（理论上会发生双电子捕获）
  83. 硒-76
  84. 硒-77
  85. 硒-78
  86. 硒-80（理论上会发生双β衰变）
  87. 溴-79
  88. 溴-81
  89. 氪-80
  90. 氪-82
  91. 氪-83
  92. 氪-84
  93. 氪-86（理论上会发生双β衰变）
  94. 铷-85
  95. 锶-84（理论上会发生双电子捕获）
  96. 锶-86
  97. 锶-87
  98. 锶-88
  99. 钇-89
  100. 锆-90
  101. 锆-91
  102. 锆-92
  103. 锆-94（理论上会发生双β衰变）
  104. 铌-93
  105. 钼-92（理论上会发生双电子捕获）
  106. 钼-94
  107. 钼-95
  108. 钼-96
  109. 钼-97
  110. 钼-98（理论上会发生双β衰变）
    原子序数43的锝为放射性元素
  111. 钌-96（理论上会发生双电子捕获）
  112. 钌-98
  113. 钌-99
  114. 钌-100
  115. 钌-102
  116. 钌-103
  117. 钌-104（理论上会发生双β衰变）
  118. 铑-103
  119. 钯-102（理论上会发生双电子捕获）
  120. 钯-104
  121. 钯-105
  122. 钯-106
  123. 钯-108
  124. 钯-110（理论上会发生双β衰变）
  125. 银-107
  126. 银-109
  127. 镉-106（理论上会发生双电子捕获）
  128. 镉-108（理论上会发生双电子捕获）
  129. 镉-110
  130. 镉-111
  131. 镉-112
  132. 镉-114（理论上会发生双β衰变）
  133. 铟-113
  134. 锡-112（理论上会发生双电子捕获）
  135. 锡-114
  136. 锡-115
  137. 锡-116
  138. 锡-117
  139. 锡-118
  140. 锡-119
  141. 锡-120
  142. 锡-122（理论上会发生双β衰变）
  143. 锡-124（理论上会发生双β衰变）
  144. 锑-120
  145. 锑-123
  146. 碲-120（理论上会发生双电子捕获）
  147. 碲-122
  148. 碲-123（理论上会发生电子捕获）
  149. 碲-124
  150. 碲-125
  151. 碲-126
  152. 碘-127
  153. 氙-126（理论上会发生双电子捕获）
  154. 氙-128
  155. 氙-129
  156. 氙-130
  157. 氙-131
  158. 氙-132
  159. 氙-134（理论上会发生双β衰变）
  160. 铯-133
  161. 钡-132（理论上会发生双电子捕获）
  162. 钡-134
  163. 钡-135
  164. 钡-136
  165. 钡-137
  166. 钡-138
  167. 镧-139
  168. 铈-136（理论上会发生双电子捕获）
  169. 铈-138（理论上会发生双电子捕获）
  170. 铈-140
  171. 铈-142（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  172. 镨-141
  173. 钕-142
  174. 钕-143（理论上会发生α衰变）
  175. 钕-145（理论上会发生α衰变）
  176. 钕-146（理论上会发生双β衰变）
    没有质量数为147的稳定核素
  177. 钕-148（理论上会发生α衰变或双β衰变）
    原子序数61的钷为放射性元素
  178. 钐-144（理论上会发生双电子捕获）
  179. 钐-149（理论上会发生α衰变）
  180. 钐-150（理论上会发生α衰变）
    没有质量数为151的稳定核素
  181. 钐-152（理论上会发生α衰变）
  182. 钐-154（理论上会发生双β衰变）
  183. 铕-153（理论上会发生α衰变）
  184. 钆-154（理论上会发生α衰变）
  185. 钆-155（理论上会发生α衰变）
  186. 钆-156
  187. 钆-157
  188. 钆-158
  189. 钆-160（理论上会发生双β衰变）
  190. 铽-159
  191. 镝-156（理论上会发生α衰变或双电子捕获）
  192. 镝-158（理论上会发生α衰变）
  193. 镝-160（理论上会发生α衰变）
  194. 镝-161（理论上会发生α衰变）
  195. 镝-162（理论上会发生α衰变）
  196. 镝-163
  197. 镝-164
  198. 钬-165（理论上会发生α衰变）
  199. 铒-162（理论上会发生α衰变或双电子捕获）
  200. 铒-164（理论上会发生α衰变）
  201. 铒-166（理论上会发生α衰变）
  202. 铒-167（理论上会发生α衰变）
  203. 铒-168（理论上会发生α衰变）
  204. 铒-170（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  205. 铥-169（理论上会发生α衰变）
  206. 镱-168（理论上会发生α衰变或双电子捕获）
  207. 镱-170（理论上会发生α衰变））
  208. 镱-171（理论上会发生α衰变）
  209. 镱-172（理论上会发生α衰变）
  210. 镱-173（理论上会发生α衰变）
  211. 镱-174（理论上会发生α衰变）
  212. 镱-176（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  213. 镥-175（理论上会发生α衰变）
  214. 铪-176（理论上会发生α衰变）
  215. 铪-177（理论上会发生α衰变）
  216. 铪-178（理论上会发生α衰变）
  217. 铪-179（理论上会发生α衰变）
  218. 铪-180（理论上会发生α衰变）
  219. 钽-180m（理论上会发生α衰变、β衰变、电子捕获或同核异构跃迁）
  220. 钽-181（理论上会发生α衰变）
  221. 钨-182（理论上会发生α衰变）
  222. 钨-183（理论上会发生α衰变）
  223. 钨-184（理论上会发生α衰变）
  224. 钨-186（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  225. 铼-185（理论上会发生α衰变）
  226. 锇-187（理论上会发生α衰变）
  227. 锇-188（理论上会发生α衰变）
  228. 锇-189（理论上会发生α衰变）
  229. 锇-190（理论上会发生α衰变）
  230. 锇-192（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  231. 铱-191（理论上会发生α衰变）
  232. 铱-193（理论上会发生α衰变）
  233. 铂-192（理论上会发生α衰变）
  234. 铂-194（理论上会发生α衰变）
  235. 铂-195（理论上会发生α衰变）
  236. 铂-196（理论上会发生α衰变）
  237. 铂-198（理论上会发生α衰变或双β衰变）
  238. 金-197（理论上会发生α衰变）
  239. 汞-196（理论上会发生α衰变或双电子捕获）
  240. 汞-198（理论上会发生α衰变）
  241. 汞-199（理论上会发生α衰变）
  242. 汞-200（理论上会发生α衰变）
  243. 汞-201（理论上会发生α衰变）
  244. 汞-202（理论上会发生α衰变）
  245. 汞-204（理论上会发生双β衰变）
  246. 铊-203（理论上会发生α衰变）
  247. 铊-205（理论上会发生α衰变）
  248. 铅-204（理论上会发生α衰变）
  249. 铅-206（理论上会发生α衰变）
  250. 铅-207（理论上会发生α衰变）
  251. 铅-208（理论上会发生α衰变）
    没有质量数为209或以上的稳定核素
    原子序数83（铋）或以上的元素均为放射性元素
  • 按：列表中标为粗体的核素为其对应元素唯一的稳定同位素，故该元素属于单一同位素元素。

参见

参考文献

  1. ^ DOE explains ... Isotopes. Department of Energy, United States. [11 January 2023]. （原始内容存档于14 April 2022）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Sonzogni, Alejandro. Interactive Chart of Nuclides. National Nuclear Data Center: Brook haven National Laboratory. [2008-06-06]. （原始内容存档于2018-10-10）. 
  3. ^ WWW Table of Radioactive Isotopes. [永久失效链接]
  4. ^ Marcillac, Pierre de; Noël Coron; Gérard Dambier; Jacques Leblanc & Jean-Pierre Moalic. Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth. Nature. 2003, 422 (6934): 876–878. Bibcode:2003Natur.422..876D. PMID 12712201. S2CID 4415582. doi:10.1038/nature01541. 
  5. ^ Conover, Emily. Rarest nucleus reluctant to decay. 2016-10-03 [2016-10-05]. （原始内容存档于2023-06-18）. 
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  7. ^ Hult, Mikael; Elisabeth Wieslander, J.S.; Marissens, Gerd; Gasparro, Joël; Wätjen, Uwe; Misiaszek, Marcin. Search for the radioactivity of 180mTa using an underground HPGe sandwich spectrometer. Applied Radiation and Isotopes. 2009, 67 (5): 918–21. PMID 19246206. doi:10.1016/j.apradiso.2009.01.057. 
  8. ^ The origins of the conceptions of isotopes （页面存档备份，存于互联网档案馆） Frederick Soddy, Nobel prize lecture
  9. ^ IUPAC Periodic Table of the Isotopes (PDF). ciaaw.org. IUPAC. 1 October 2013 [21 June 2016]. （原始内容存档 (PDF)于2019-02-14）. 
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