Nuclide

核種とは、原子核内の陽子数と中性子数、および核エネルギー状態によって定義される原子の種類である。この用語は1947年にアメリカの物理学者トルーマン・P・コーマンによって導入され、彼はこれを「原子核の構成によって特徴づけられる原子の種」と表現した。この定義は当初、原子核そのものに重点を置いていた。

核種の概念は同位体の概念とは異なる。同位体が同じ元素（同じ陽子数）で中性子数が異なる原子を指すのに対し、核種という用語は化学的挙動とは別に核的性質に焦点を当てるために作られた。例えば、炭素13（⁶¹³C）は陽子6個と中性子7個を持つ。「同位体」という用語は核技術や医学などの分野で今も一般的に使われているが、核的特性を議論する際には「核種」の方がより正確な用語である。核物理学では、中性子の数は陽子の数と同じくらい重要になることがある。これは、中性子数が水素とヘリウムを除いてわずかな影響しか与えない化学とは対照的である。水素の場合、同位体効果は生物系に影響を与えるほど強い。ヘリウムの場合、⁴₂Heはボース・アインシュタイン統計に従うのに対し、³₂Heはフェルミ・ディラック統計に従い、低温での物理的性質に大きな違いをもたらす。

「核種」と「同位体」はしばしば互換的に使われるが、異なる関係を表している。同位体は陽子数が同じ（同じ元素）で中性子数が異なる核種である。同重体は質量数が同じで原子番号が異なる核種である。同中性子体は中性子数が同じで陽子数が異なる。同過剰中性子体は中性子過剰数（N − Z）が同じである。「同中性子体」という用語は「同位体」に倣って作られ、一定の特徴が中性子数であることを強調している。核異性体は特殊なケースであり、陽子数と質量数が同じ（したがって同じ同位体）だが励起状態が異なる核種である。例えば、テクネチウム99mとテクネチウム99は同じ同位体の異なる2つの核種である。最も長寿命の核異性体はタンタル180mで、半減期は10¹⁷年を超え、天然に存在し、基底状態への崩壊は観測されたことがない。対照的に、基底状態のタンタル180は約8時間で崩壊する。

自然界には、崩壊が観測されたことのない251の核種が存在し、少なくとも1つの安定同位体を持つ80の元素にわたって見られる。不安定な核種は放射性であり、放射性核種と呼ばれ、その崩壊生成物は放射起源核種と呼ばれる。

天然に存在する放射性核種は3つのグループに分類される。第一に、原始放射性核種は、地球形成（約46億年前）から現在まで存続するのに十分な半減期を持ち、太陽系形成前の恒星内元素合成に由来する。例えば、ウラン238（半減期44.6億年）は今も一般的だが、ウラン235（半減期7.04億年）は現在138倍も希少である。このような原始放射性核種は35種知られている。第二のグループは、ラジウム226（半減期1600年）のような放射起源核種であり、原始ウランまたはトリウムの崩壊系列内での放射性崩壊によって形成される。フランシウムの同位体のように非常に短寿命のものもあり、約50の娘核種がより長寿命の原始親核種の崩壊のみから存在する。第三のグループは、単純な自発崩壊ではなく、天然の核反応によって生成される核種を含む。これらは、原子が天然の中性子（宇宙線、自発核分裂、またはその他の発生源から）と相互作用するか、宇宙線によって直接衝撃を受けるときに生じる。宇宙線に由来するものは宇宙線生成核種と呼ばれ、その他の天然核反応によるものは核生成核種と呼ばれる。自発核分裂の生成物は多種多様であるが、地質学的時間スケールで急速に崩壊し、原始核種または7つの長寿命核分裂生成物のいずれかになり、したがって自然界に存在する。