核素

核素（nuclide）又稱核種，是具有特定質子數（原子序數）、中子數、核能態，且其平均壽命長得足以能被觀測的一類原子，分為穩定核素和放射性核素兩類。英語 nuclide 與漢語譯名雖側重於原子核，但其最早定義即為以原子核組成為特徵的原子種類。譯名 “核種” 是指原子的種類，譯名 “核素” 是相對於元素，其概念晚於元素，因此元素的範圍就擴大成了一些核電荷相等核素的混成物。

凡原子核構造不同的原子，例如質子數或中子數不同，皆視為不同的核素，例如氕、氘、碳 - 12、碳 - 14、鈾 - 235、鈾 - 238 等皆為不同的核素。而有些原子的原子核雖然構造相同，但只要其所處的能態不同（基態或半衰期超過 10−9 秒的亞穩態），亦視為不同核素，例如和鎝 - 99m。

名稱由來

核素一詞在英文中被叫做 “nuclide”，這一單詞來源於拉丁語 nucleus（核）和古希臘語 εἶδος （可見形態），是由這兩個詞複合而成的。

1947 年美國科學家提出 “核素” 一詞，寇曼將它定義為：“具有給定質子數 Z 和中子數 N 的一類原子核所組成的元素”。目前許多國家仍然在採用這一定義，但當涉及到活度的定義時，這種定義就顯得不夠完善了。

表示方法

核素的名稱通常以其所屬元素加上其質量數來表示，例如氦 - 3、氦 - 4、碳 - 12、碳 - 14、鈾 - 235、鈾 - 238 等。當使用化學符號表示核素時，通常使用的形式，其中 E 為該核素所屬元素的化學符號（氘和氚這二種核素有自己的符號：D 和 T）；Z 為該核素的質子數（即原子序數）；A 為該核素的質量數（即核子數，質子數和中子數之和）；N 為該核素的中子數（一般情況下不標出），例如、、、、、。由於從核素的所屬元素便可推知其質子數，因此以符號表示核素時通常只會註明其上標的質量數，而省略下標的質子數，如、、、、、。若在核素符號的質量數後加上字母 m，則表示其為核同質異能素，其原子核處於較高能階的亞穩態，但半衰期比一般的激發態原子核要長（通常達到 100~1000 倍的時間），例如（鎝 - 99m）、（鋂 - 242m）等。當一基態核素的原子存在多個不同能階的核同質異能素時，則使用 m1、m2、m3 等，按照其激發能量從低到高進行標記，如（鉿 - 177m2）等。

與同位素概念的區別

核素的定義主要聚焦在原子核的層面，不僅考慮原子核內中子數與質子數的差異，同時也考慮了影響核性質的另一主要因素，即核能態的不同，對原子核的性質描述更深入，涉及核力、核結構及原子核的大小、自旋、宇稱、電四極矩等。而同位素的概念則更加強調原子化學性質的異同，將質子數相同的原子歸類為同一種元素的同位素。中子數對原子的核性質有很大的影響，但對大多數原子的化學性質之影響可忽略不計。儘管對於較輕的元素，其核內中子數與質子數之比在同位素之間變化較大，對其化學性質的影響通常也十分微小。

核素一詞可用於稱呼任何原子核構造或所處能態不同的原子種類，如質子數或中子數不同的原子，皆視為不同的核素。而同位素一詞最初主要用於稱呼質子數相同而中子數不同的原子，稱其為同一種元素的不同同位素。然而，由於同位素一詞在學界中使用歷史較為悠久，比核素一詞更廣為人知，如今在核技術和核醫學等許多領域中仍常用「同位素」指代任何具有特定質子數及中子數的原子種類，儘管在概念及語意上使用「核素」更為合適。

種類

儘管核素和同位素這兩個術語在一般語境中經常相互替代使用，但狹義上同位素專指質子數相同而中子數不同的核素。下表列出了其他描述核子數或核能態間具有特性關係的核素術語：

核同質異能素是指質子數及中子數相同，但原子核處於不同能階的核素。通常處於激發態的原子核會在無法直接測量的極短時間（約 10−12 秒）內發生 γ 衰變，轉變成能階較低的原子核。不過有些激發態原子核的半衰期比常見的激發態原子核的半衰期要長（>10−9 秒），因此被稱作處於亞穩態，這種處於亞穩態的高能階原子核在核物理學上被視為和基態原子核不同的核素，稱為核同質異能素，例如亞穩態的是基態的的核同質異能素。由於核同質異能素的核子組成和基態核素完全相同，因此在定義上它們被算作同一種同位素，不過由於核能態的差異，他們仍被視為不同的核素。目前已知壽命最長的亞穩態核同質異能素是}}，其半衰期超過 1000 兆年，是之一，並且從未被觀察到其衰變成基態。相比之下，其基態核素的半衰期僅約 8 小時。

核穩定性

原子核中不同數目的質子和中子的組合會影響其穩定性，因此每種核素的核穩定性各不相同。

目前已知的大多數核素原子核皆不穩定，具有放射性，會自發性地放出遊離輻射並衰變成其他核素，稱為放射性核素，例如、、、、、和等。每種放射性核素的核穩定性各不相同，因此發生衰變的半衰期也有長有短，原子核越不穩定的核素半衰期越短，放射性越強。目前已發現的放射性核素超過 3000 種，其中大部分不存在於自然界，只能藉由人工合成的方式生成，稱為人造放射性核素。至於天然存在的放射性核素則包括半衰期極長的、原始放射性核素衰變生成的次生天然放射性核素以及宇宙射線作用產生的等。

原子核穩定、不會發生放射性衰變的核素則稱為穩定核素，共有 251 種，皆自然存在於地球上，分別屬於原子序 1 號（氫）至 82 號（鉛）的化學元素（鎝和鉕除外）。穩定核素由於不會衰變成其他核素，自恆星核合成過程誕生後能以穩定的量恆久存在，因此構成了現今自然界中絕大多數的物質，大多數元素在地球和太陽系中同位素的豐度比例往往也是穩定同位素佔絕大部分或全部。不過自然界中有三種元素（碲、銦和錸）雖然有著穩定同位素，但其豐度最高的同位素卻是壽命極長的放射性同位素。

理論計算顯示，許多表面上為 “穩定” 的核素在能量上容易受到一些已知衰變形式的影響，例如 α 衰變或雙 β 衰變（不考慮尚未證實的質子衰變，因為這將使所有核素皆屬不穩定），然而目前尚未觀察到任何它們發生衰變的現象，​​因此這些核素被認為是 “觀測上穩定” 的核素。這些核素的預測半衰期往往遠超宇宙的估計年齡。此外，理論上所有比重（含）的核素都有可能自發分裂，然而目前觀測到會進行此衰變的最輕核素為。

影響核穩定性的因素

6.1 核子數的比例

（以核素的質子 - 中子數 作為座標排列的二維圖表）：

黑色 – 穩定核素

6.2 核子數的奇偶性

中子 - 質子比並不是影響核穩定性的唯一因素。原子核的穩定性還會受到質子數（Z）、中子數（N）及質量數（A）是偶數還是奇數所影響。原子核中的質子或中子互相成對能相互抵消角動量，是形成穩定核的條件之一。Z、N 或 A 為奇數往往會降低核結合能，從而使奇數核通常不太穩定。故大多數穩定核素皆為 Z 與 N 都是偶數（故 A 也是偶數）的偶偶核。也有部分穩定核素屬於 A 為奇數的奇偶核（Z 為奇數，N 為偶數）或偶奇核（Z 為偶數，N 為奇數）。至於奇奇核（Z 和 N 都是奇數）絕大多數都不穩定，屬於奇奇核的穩定核素非常稀少。

6.3 幻數原子核

質子數或中子數為幻數的原子核會顯現出較高的穩定性。目前已經確認的幻數皆為偶數，包括 2、8、20、28、50、82 和 126 這七個數目，而氦、氧、鈣、鎳、錫、鉛等六個元素的質子數分別與 2 到 82 的幻數相對應，這些元素都具有多個穩定同位素，其中錫的穩定同位素多達 10 種，居所有元素之冠。至於質子數為 126 的元素 Ubh 目前尚未發現，預計其處於放射性超重元素穩定島的中央。當原子核之質子數和中子數皆為幻數時，該情況稱為「雙幻數」，許多具有雙幻數的核素都顯得異常穩定，例如、、和都是密閉核組態的穩定核素，則是壽命極長的原始放射性核素。

依穩定性分級的核素統計表

請注意，下表中的資料並不一定準確，在未來可能會發生變化（比如某些觀測上穩定的核素可能具有放射性，但半衰期極長而難以觀測其衰變）。