钙的同位素

　　自然中的钙是由五种稳定同位素(40Ca、42Ca、43Ca、44Ca和46Ca)和一种半衰期很长的同位素(48Ca，半衰期约为4.3 × 1019年)组成的混合物。钙是第一种(最轻的)有六种天然同位素的元素[5]。

　　迄今为止，自然界中最常见的钙同位素是40Ca，占所有天然钙的96.941%。它是在硅燃烧过程中由α粒子融合产生的，是质子数和中子数相等的最重的稳定核素；原始40K的衰变也促使它缓慢生成。添加一个α粒子将得到不稳定的44Ti，它通过两次连续的电子俘获迅速衰变为稳定的44Ca，这占所有天然钙的2.806%，是第二常见的同位素。其他四种天然同位素，42Ca、43Ca、46Ca和48Ca，非常罕见，每种都不到所有天然钙的1%。四种较轻的同位素主要是氧燃烧和硅燃烧过程的产物，剩下两种较重的同位素通过中子俘获过程形成。46Ca大部分是在“热”s-过程中产生的，因为它的形成需要相当高的中子通量，以允许短寿命的45Ca捕获中子。48Ca是Ia型超新星在r-过程中通过电子俘获产生的，大量中子过剩和足够低的熵保证了它的存在[17][18]。

　　46Ca和48Ca分别是第一批“经典稳定”的六中子和八中子过剩核素。尽管这种轻元素富含中子，但48Ca非常稳定，因为它是一个双幻数核，有20个质子和28个中子排列在封闭的壳层中。由于核自旋的严重失配，其β衰变成为48Sc的过程受到很大阻碍：48Ca的核自旋数为零，是均匀的，而48Sc的自旋数为6+，所以根据角动量守恒衰变禁阻。虽然48Sc的两个激发态也可以衰变，但因为它们的自旋数很高所以也是禁止的。因此在实际上，48Ca通过双β衰变成为48Ti这是已知经历双β衰变的最轻核素[19][20] 。重同位素46Ca理论上也可以经历双β衰变到46Ti，但这从未被观察到；最轻和最常见的同位素40Ca也具有双幻数，可以经历双重电子俘获得到40Ar，但这同样从未被观察到。钙是唯一具有两种原始双幻数同位素的元素。40Ca和46Ca半衰期的实验下限分别为5.9 × 1021年和2.8 × 1015年[19]。

　　除了实际上稳定的48Ca之外，钙中寿命最长的放射性同位素是41Ca。它通过电子俘获衰变得到稳定的41K，半衰期约为十万年。作为一种已灭绝的放射性核素，它在早期太阳系中的存在是从过量的41K的量推断出来的：41Ca的痕迹今天仍然存在，因为它是一种宇宙生成的核素，通过天然40Ca的中子活化而不断地被重整[18]。已知许多其他钙放射性同位素，范围从35Ca到60Ca。它们的寿命都比41Ca短得多，其中最稳定的是45Ca(半衰期为163天)和47Ca(半衰期为4.54天)。轻于42Ca的同位素通常经历β正衰变形成钾同位素，重于44Ca的同位素通常经历β负衰变形成钪同位素，尽管在核滴线附近，质子发射和中子发射也开始成为显著的衰变模式[19]。

　　像其他元素一样，多种过程会改变钙同位素的相对丰度[21]。对这些过程的最佳研究是钙同位素的质量依赖分馏，伴随着钙矿物（如方解石、文石和磷灰石）从溶液中沉淀出来。较轻的同位素优先结合到这些矿物中，使得周围溶液富含较重的同位素，在室温下的浓度约为每原子质量单位（amu）0.025％。钙同位素组成的质量依赖性差异通常用样品中两种同位素的比率(通常为44Ca/40Ca)与标准参考材料中相应比率来表示。44Ca/40Ca在地球上普通材料中为1%左右[22]。