Nuclídeos estáveis são isótopos de um elemento químico cujos núcleons estão em uma configuração que não lhes permite o excesso de energia necessário para produzir uma emissão radioativa. Os núcleos desses isótopos não são radioativos e, ao contrário dos radionuclídeos, não sofrem decaimento radioativo espontaneamente. Quando esses nuclídeos são referidos em relação a elementos específicos, eles são geralmente chamados de isótopos estáveis daquele elemento.

Os 80 elementos com um ou mais isótopos estáveis compreendem um total de 251 nuclídeos que não se mostraram em decaimento usando os equipamentos atuais. Destes 80 elementos, 26 têm apenas um isótopo estável e são chamados de monoisotópicos. Os outros 56 têm mais de um isótopo estável. O estanho tem dez isótopos estáveis, o maior número de qualquer elemento.

Definição de estabilidade e nuclídeos naturais

A maioria dos nuclídeos naturais são estáveis (cerca de 251; veja a lista no final deste artigo), e cerca de 35 outros (total de 286) são conhecidos por serem radioativos com meias-vidas longas o suficiente (também conhecidas) para ocorrer primordialmente. Se a meia-vida de um nuclídeo é comparável ou maior que a idade da Terra (4,5 bilhões de anos), uma quantidade significativa terá sobrevivido desde a formação do Sistema Solar, sendo então dito primordial. Ele contribuirá dessa forma para a composição isotópica natural de um elemento químico. Radioisótopos primordiais são facilmente detectados com meias-vidas tão curtas quanto 700 milhões de anos (por exemplo, U). Este é o limite atual de detecção, pois nuclídeos com meias-vidas mais curtas ainda não foram detectados inequivocamente na natureza, exceto quando produzidos recentemente, como produtos de decaimento ou espalação de raios cósmicos.

Muitos radioisótopos naturais (outros 53 ou mais, num total de cerca de 339) apresentam meias-vidas ainda mais curtas do que 700 milhões de anos, mas são produzidos recentemente, como produtos filhos de processos de decaimento de nuclídeos primordiais (por exemplo, rádio a partir de urânio), ou a partir de reações energéticas contínuas, como nuclídeos cosmogênicos produzidos pelo bombardeamento atual da Terra por raios cósmicos (por exemplo, C produzido a partir de nitrogênio).

Alguns isótopos que são classificados como estáveis (isto é, nenhuma radioatividade foi observada para eles) prevê-se que tenham meias-vidas extremamente longas (às vezes 10 anos ou mais). Se a meia-vida prevista cair em uma faixa experimentalmente acessível, tais isótopos têm a chance de passar da lista de nuclídeos estáveis para a categoria radioativa, uma vez que sua atividade seja observada. Por exemplo, Bi e W foram anteriormente classificados como estáveis, mas descobriu-se que eram ativos por alfa em 2003. No entanto, tais nuclídeos não mudam seu status como primordiais quando se descobre que são radioativos.

A maioria dos isótopos estáveis na Terra acredita-se ter sido formada em processos de nucleossíntese, seja no Big Bang, ou em gerações de estrelas que precederam a formação do Sistema Solar. No entanto, alguns isótopos estáveis também mostram variações de abundância na Terra como resultado de decaimento de nuclídeos radioativos de longa duração. Estes produtos de decaimento são denominados isótopos radiogênicos, para distingui-los do grupo muito maior de isótopos "não radiogênicos".

Isótopos por elemento

Dos elementos químicos conhecidos, 80 elementos têm pelo menos um nuclídeo estável. Estes compreendem os primeiros 82 elementos, do hidrogénio ao chumbo, com duas exceções, tecnécio (elemento 43) e promécio (elemento 61), que não têm nenhum nuclídeo estável. Em 2024, há um total de 251 nuclídeos "estáveis" conhecidos. Nesta definição, "estável" significa um nuclídeo que nunca foi observado em decaimento em relação ao fundo natural. Assim, esses elementos têm meias-vidas muito longas para serem medidas por qualquer meio, direto ou indireto.

Isótopos estáveis: 1 elemento (estanho) tem 10 isótopos estáveis 5 elementos têm 7 isótopos estáveis cada 7 elementos têm 6 isótopos estáveis cada 11 elementos têm 5 isótopos estáveis cada 9 elementos têm 4 isótopos estáveis cada 5 elementos têm 3 isótopos estáveis cada 16 elementos têm 2 isótopos estáveis cada 26 elementos têm 1 único isótopo estável.

Estes últimos 26 são, portanto, chamados de elementos monoisotópicos. O número médio de isótopos estáveis para elementos que têm pelo menos um isótopo estável é 251/80 = 3,1375.

Números mágicos físicos e contagem par e ímpar de prótons e nêutrons

A estabilidade dos isótopos é afetada pela razão de prótons para nêutrons, e também pela presença de certos números mágicos de nêutrons ou prótons, que representam camadas quânticas fechadas e preenchidas. Essas camadas quânticas correspondem a um conjunto de níveis de energia dentro do modelo de camadas do núcleo; camadas preenchidas, como a camada preenchida de 50 prótons para o estanho, conferem estabilidade incomum ao nuclídeo. Como no caso do estanho, um número mágico para Z, o número atômico, tende a aumentar o número de isótopos estáveis para o elemento.

Assim como no caso dos elétrons, que têm o estado de energia mais baixo quando ocorrem em pares em um dado orbital, os núcleons (tanto prótons quanto nêutrons) exibem um estado de energia mais baixo quando seu número é par, ao invés de ímpar. Esta estabilidade tende a prevenir o decaimento beta (em duas etapas) de muitos nuclídeos par-par para outro nuclídeos par-par do mesmo número de massa, mas com energia mais baixa (e, claro, com dois prótons a mais e dois nêutrons a menos), porque o decaimento que ocorre uma etapa de cada vez teria que passar por um nuclídeo ímpar-ímpar de maior energia. Tais núcleos, portanto, sofrem decaimento beta duplo (ou teoriza-se que sofram) com meias-vidas várias ordens de magnitude maiores do que a idade do universo. Isso produz um maior número de nuclídeos par-par estáveis, que representam 150 dos 251 totais. Nuclídeos par-par estáveis chegam a três isóbaros para alguns números de massa, e até sete isótopos para alguns números atômicos.

Por outro lado, dos 251 nuclídeos estáveis conhecidos, apenas cinco têm tanto um número ímpar de prótons quanto um número ímpar de nêutrons: hidrogênio-2 (deutério), lítio-6, boro-10, nitrogênio-14 e tântalo-180m. Além disso, apenas quatro nuclídeos ímpar-ímpar radioativos naturais têm uma meia-vida >10 anos: potássio-40, vanádio-50, lantânio-138 e lutécio-176. Nuclídeos primordiais ímpar-ímpar são raros porque a maioria dos núcleos ímpar-ímpar sofrem decaimento beta, pois os produtos de decaimento são par-par e, portanto, são mais fortemente ligados, devido aos efeitos de emparelhamento nuclear.

Outro efeito da instabilidade de um número ímpar de qualquer tipo de núcleon é que elementos de número ímpar tendem a ter menos isótopos estáveis. Dos 26 elementos monoisotópicos (aqueles com apenas um isótopo estável), todos, exceto um, têm um número atômico ímpar, e todos, exceto um, têm um número par de nêutrons: a única exceção a ambas as regras é o berílio.

O fim dos elementos estáveis ocorre após o chumbo, principalmente porque os núcleos com 128 nêutrons (dois nêutrons acima do número mágico 126) são extraordinariamente instáveis e quase imediatamente sofrem decaimento alfa. Isso contribui para as meias-vidas muito curtas do astato, rádon e frâncio. Um fenômeno semelhante ocorre em muito menor grau com 84 nêutrons (dois nêutrons acima do número mágico 82), onde vários isótopos de elementos lantanídeos sofrem decaimento alfa.

Isômeros nucleares, incluindo um "estável" Os 251 nuclídeos estáveis conhecidos incluem o tântalo-180m, pois embora seu decaimento seja automaticamente implícito por ser "metaestável", ele não foi observado. Todos os isótopos "estáveis" (estáveis por observação, não por teoria) são os estados fundamentais dos núcleos, exceto o tântalo-180m, que é um isômero nuclear ou estado excitado. O estado fundamental, tântalo-180, é radioativo com meia-vida de 8 horas; em contraste, o decaimento do isômero nuclear é extremamente fortemente proibido por regras de seleção de spin-paridade. Foi relatado por observação direta que a meia-vida do Ta para decaimento gama deve ser >10 anos. Outros modos possíveis de decaimento do Ta (decaimento beta, captura eletrónica e decaimento alfa) também nunca foram observados.

Decaimento ainda não observado

Espera-se que a melhoria da sensibilidade experimental permita a descoberta de radioatividade muito fraca de alguns isótopos agora considerados estáveis. Por exemplo, em 2003, foi relatado que o bismuto-209 (o único isótopo primordial do bismuto) é muito fracamente radioativo, com meia-vida (1,9 ± 0,2) × 10 anos, confirmando previsões teóricas anteriores da física nuclear de que o bismuto-209 sofreria decaimento alfa muito lentamente.

Isótopos que teoricamente se acredita serem instáveis, mas que não foram observados em decaimento, são denominados observacionalmente estáveis. Atualmente, existem 105 isótopos "estáveis" que são teoricamente instáveis, 40 dos quais foram observados em detalhe sem sinal de decaimento, sendo o mais leve em qualquer caso o Ar. Muitos nuclídeos "estáveis" são metaestáveis, mas não foram observados em decaimento, e espera-se que sofram tipos muito raros de decaimento radioativo, incluindo decaimento beta duplo.

146 nuclídeos de 62 elementos com número atômicos de 1 (hidrogênio) a 66 (disprósio), exceto 43 (tecnécio), 61 (promécio), 62 (samário) e 63 (európio), são teoricamente estáveis para qualquer tipo de decaimento nuclear — exceto pela possibilidade teórica de decaimento de prótons, que nunca foi observado apesar de extensas buscas; e fissão espontânea (FE), que é teoricamente possível para os nuclídeos com números de massa atômica ≥ 93, isto é, todos aqueles com número atômicos ≥ 41.

Além da FE, outras vias de decaimento teóricas para elementos mais pesados incluem: decaimento alfa – 70 nuclídeos pesados (os dois mais leves são cério-142 e neodímio-143) decaimento beta duplo – 55 nuclídeos decaimento beta – tântalo-180m captura eletrônica – telúrio-123, tântalo-180m dupla captura eletrônica transição isomérica – tântalo-180m

Estes incluem todos os nuclídeos de massa 165 e superiores. O argônio-36 é o nuclídeo "estável" mais leve conhecido que é teoricamente instável.

A positividade da liberação de energia nestes processos significa que eles são cinematicamente permitidos (não violam a conservação de energia) e, portanto, em princípio, podem ocorrer. Eles não são observados devido à forte, mas não absoluta, supressão, por regras de seleção de spin-paridade (para decaimentos beta e transições isoméricas) ou pela espessura da barreira de potencial (para decaimentos alfa e de cluster e fissão espontânea).

Tabela resumo para números de cada classe de nuclídeos

Esta é uma tabela resumo da Lista de nuclídeos. Os números não são exatos e podem mudar ligeiramente no futuro, à medida que nuclídeos são observados como radioativos, ou novas meias-vidas são determinadas com alguma precisão.