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安定核種とは、核子が放射性放出に必要な余剰エネルギーを生じないような配置になっている化学元素の同位体のことです。このような同位体の原子核は放射性ではなく、放射性核種とは異なり、自発的に放射性崩壊を起こしません。[ 1 ]これらの核種が特定の元素に関連して言及される場合、通常はその元素の安定同位体と呼ばれます。
安定同位体を1つ以上持つ80元素は、現在の装置では崩壊が確認されていない核種を合計251種類含んでいる。これらの80元素のうち、安定同位体が1つしかない26元素は単同位体元素と呼ばれ、残りの56元素は複数の安定同位体を持つ。スズは10個の安定同位体を持ち、これはどの元素よりも多い数である。
自然界に存在する核種のほとんどは安定核種（約251種、この記事末尾のリストを参照）であり、さらに約35種（合計286種）は放射性核種であり、半減期が十分に長く（これも知られている）、原始的に存在していたことが知られています。核種の半減期が地球の年齢（45億年）と同等かそれ以上であれば、かなりの量が太陽系の形成以来生き残っており、原始核種と呼ばれます。そして、そのようにして化学元素の自然同位体組成に寄与します。原始放射性同位体は、半減期が7億年と短いもの（例：235U）でも容易に検出できます。これは現在の検出限界であり、半減期の短い核種は、崩壊生成物や宇宙線による核破砕など、最近生成された場合を除き、自然界で疑いなく検出されたことはありません。
天然に存在する多くの放射性同位体（さらに約53種類、合計約339種類）は、7億年よりもさらに短い半減期を示しますが、これらは原始核種の崩壊過程の娘核種（例えば、ウランから生成されるラジウム）として、あるいは現在地球に降り注ぐ宇宙線によって生成される宇宙線生成核種（例えば、窒素から生成される14C）のような、進行中の高エネルギー反応によって新たに生成されます。
安定同位体（放射能が観測されていない同位体）の中には、極めて長い半減期（10 18年以上）を持つと予測されているものがある。[ 2 ]予測される半減期が実験的に測定可能な範囲に収まる場合、放射能が観測されると、そのような同位体は安定核種のリストから放射性カテゴリーに移行する可能性がある。例えば、209 Bi と180 W は以前は安定同位体に分類されていたが、2003 年にアルファ線放射能を持つことが判明した。しかし、そのような核種は放射能を持つことが判明しても、原始核種としての地位は変わらない。
地球上の安定同位体のほとんどは、ビッグバン、あるいは太陽系形成以前の世代の恒星において、元素合成の過程で形成されたと考えられています。しかし、一部の安定同位体は、長寿命の放射性核種の崩壊によって地球上で存在量が変動することもあります。これらの崩壊生成物は、はるかに大きな「非放射性」同位体群と区別するために、「放射性同位体」と呼ばれています。
既知の化学元素のうち、80元素は少なくとも1つの安定核種を持つ。これらは水素から鉛までの最初の82元素からなり、例外としてテクネチウム（元素番号43）とプロメチウム（元素番号61）は安定核種を持たない。2024年現在、既知の「安定」核種は合計251種類である。ここでいう「安定」とは、自然界のバックグラウンドに対して崩壊が観測されたことのない核種を意味する。したがって、これらの元素の半減期は、直接的または間接的な方法で測定するには長すぎる。
安定同位体：
これらの最後の26個は、単一同位体元素と呼ばれます。[ 3 ]少なくとも1つの安定同位体を持つ元素の平均安定同位体数は251/80 = 3.1375です。
同位体の安定性は、陽子と中性子の比率、および閉じた満たされた量子殻を表す特定の魔法数の中性子または陽子の存在によって影響を受けます。これらの量子殻は、原子核の殻モデル内のエネルギー準位のセットに対応しており、スズの場合のように陽子が50個満たされた殻は、核種に並外れた安定性をもたらします。スズの場合と同様に、原子番号Zの魔法数は、その元素の安定同位体の数を増加させる傾向があります。
電子の場合と同様に、特定の軌道内でペアになっているときに最も低いエネルギー状態になるのと同様に、核子（陽子と中性子の両方）も、奇数ではなく偶数の場合にエネルギー状態が低くなります。この安定性により、多くの偶偶核種が同じ質量数でより低いエネルギーを持つ別の偶偶核種（もちろん陽子が2つ多く、中性子が2つ少ない）にベータ崩壊（2段階）するのを防ぐ傾向があります。なぜなら、崩壊が1段階ずつ進むと、より高いエネルギーを持つ奇奇核種を経由する必要があるからです。そのため、このような原子核は、代わりに二重ベータ崩壊を起こします（あるいは、そのように理論的に考えられています）。その半減期は、宇宙の年齢よりも数桁も長いのです。このため、安定な偶偶核種の数が多くなり、全251種のうち150種を占めることになります。安定な偶偶核種は、質量数によっては最大3つの同重体が存在し、原子番号によっては最大7つの同位体が存在する。
逆に、既知の安定核種251種のうち、陽子の数と中性子の数の両方が奇数であるのは、水素-2（重水素）、リチウム-6、ホウ素-10、窒素-14、タンタル-180mの5種のみです。また、半減期が10⁹年を超える天然の放射性奇数-奇数核種は、カリウム-40、バナジウム-50、ランタン-138、ルテチウム-176の4種のみです。奇数-奇数の原始核種はまれです。これは、ほとんどの奇数-奇数核がベータ崩壊し、崩壊生成物が偶数-偶数であるため、核対効果により結合がより強くなるためです。[ 4 ]
奇数個の核子が不安定であることによるもう一つの影響は、奇数個の原子番号を持つ元素は安定同位体が少ない傾向があることです。26個の単一同位体元素（安定同位体が1つしかない元素）のうち、1つを除いてすべて原子番号が奇数であり、1つを除いてすべて中性子数が偶数です。この2つの規則の唯一の例外はベリリウムです。
安定元素の終わりは鉛の後に訪れますが、これは主に、魔法数126より2つ多い128個の中性子を持つ原子核が非常に不安定で、ほぼ即座にアルファ崩壊するためです。 [ 5 ]これは、アスタチン、ラドン、フランシウムの半減期が非常に短いことにも寄与しています。同様の現象は、魔法数82より2つ多い84個の中性子を持つ原子核でもはるかに小さい程度で発生し、ランタノイド元素のさまざまな同位体がアルファ崩壊します。
既知の安定核種251種にはタンタル180mが含まれるが、これはタンタル180mが「準安定」であることから崩壊が必然的に示唆されるにもかかわらず、崩壊が観測されていないためである。すべての「安定」同位体（理論ではなく観測によって安定している）は原子核の基底状態であるが、タンタル180mは核異性体または励起状態である。基底状態のタンタル180は半減期8時間の放射性同位体である。対照的に、核異性体の崩壊はスピンパリティ選択則によって極めて強く禁じられている。直接観測により、180m Taのガンマ崩壊の半減期は10 15年以上であると報告されている。180m Taの他の崩壊モード（ベータ崩壊、電子捕獲、アルファ崩壊）もこれまで観測されていない。
実験感度の向上により、現在安定と考えられているいくつかの同位体の非常に弱い放射能が発見されることが期待されています。たとえば、2003年にビスマス209（ビスマスの唯一の原始同位体）が非常に弱い放射能を持ち、半減期が（1.9 ± 0.2）× 10 19 年であることが報告されました[ 6 ] [ 7 ]。これは、ビスマス209が非常にゆっくりとアルファ崩壊するという原子核物理学からの以前の理論的予測[ 8 ]を裏付けるものです。
理論的には不安定であると考えられているが、崩壊が観測されていない同位体は、観測的に安定であると呼ばれます。現在、理論的には不安定な「安定」同位体は 105 個あり、そのうち 40 個は崩壊の兆候なく詳細に観測されており、いずれの場合も最も軽いのは36 Ar です。多くの「安定」核種は準安定ですが、崩壊が観測されておらず、[ 9 ]二重ベータ崩壊を含む非常にまれな種類の放射性崩壊を起こすと予想されています。
原子番号が1 (水素) から 66 (ジスプロシウム) までの 62 元素の 146 核種(テクネチウム43、プロメチウム61、サマリウム62 、ユーロピウム63 を除く) は、理論的にはあらゆる種類の核崩壊に対して安定である。ただし、広範な探索にもかかわらず観測されたことのない陽子崩壊 の理論的可能性と、原子質量数が93 以上の核種 (つまり原子番号が41 以上のすべての核種) で理論的に可能な自発核分裂(SF) は除く。 [ 10 ]
SF 以外にも、より重い元素の理論的な崩壊経路には次のものがあります。[ 10 ]
これらには質量165以上のすべての核種が含まれます。アルゴン36は、理論的には不安定な、既知の最も軽い「安定」核種です。[ 10 ]
これらの過程におけるエネルギー放出の正性は、運動学的に許容される（エネルギー保存則に違反しない）ことを意味し、したがって原理的には起こり得る。[ 10 ]スピンパリティ選択則（ベータ崩壊および異性体遷移の場合）またはポテンシャル障壁の厚さ（アルファ崩壊およびクラスター崩壊、自発的核分裂の場合）による強いが絶対的ではない抑制のため、これらの過程は観測されない。
これは核種一覧表からの要約表です。数値は正確なものではなく、核種が放射性であることが確認されたり、新たな半減期がより高い精度で決定されたりすると、将来的に若干変更される可能性があります。
比較のために、原始的な放射性核種も記載しています。これらは斜体で表記され、本来の安定核種の一覧とはずれた位置に配置されています。
予測された未観測の崩壊の略語: [ 12 ] [ 2 ] [ 11 ]
αはアルファ崩壊、Bはベータ崩壊、2Bは二重ベータ崩壊、Eは電子捕獲、2Eは二重電子捕獲、ITは異性体遷移、 SFは自発核分裂、*は半減期に下限値を持つ核種を表します。二重ベータ崩壊は、ベータ崩壊が同時に起こらない場合にのみ記載されています。
^タンタル-180m は「準安定同位体」であり、タンタル-180 の励起核異性体であることを意味します。タンタルの同位体を参照してください。ただし、この核異性体の半減期は非常に長いため、崩壊が観測されたことはなく、したがって「観測的に安定な」原始核種、タンタルの希少な同位体です。半減期が非常に長く、崩壊が観測されたことがない唯一の核異性体です。したがって、このリストに含まれています。
^^ビスマス209は、半減期が2.01× 10¹⁹年であり、宇宙の年齢の10億倍以上であるため、長い間安定していると考えられていました。
§ユーロピウム151とサマリウム147は、それぞれ4.62× 10¹⁸年と1.066× 10¹¹年という非常に長い半減期を持つ原始核種です。