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当我们开始在更小和更基本的尺度上观察宇宙时，我们开始发现物质的组成部分是什么。宏观材料由较小的组件组成，这些组件仍然保留较大原始的物理和化学特性。你可以把东西分解成单独的分子，这些分子仍然会表现出与它们作为较大结构一部分时相同的行为。分子可以进一步分解，形成单个原子，这些原子仍然保留着它们在分子中时所拥有的相同结合特性：证明在原子水平上，有一些非常重要的东西可以构建我们今天的宇宙中的更大规模的结构。
我们最终认识到原子具有可以周期性地根据其原子核中的质子数量进行排序的性质。原子核中的正电荷决定了必须有多少电子绕原子核运行才能形成电中性原子，然后根据量子物理定律，这些电子的行为决定了这些原子的行为、相互作用和结合方式。元素周期表在世界各地的学校中教授。只有一个问题：如果你从年之前制作的元素周期表中学习元素，就会发现其中有一个明显的错误。这是每个人都应该知道的。
化学元素铋作为合成晶体（左）。虹彩表面是在铋和富氧空气之间的界面处发生的非常薄的氧化层。旁边是一个体积为一立方厘米的高纯度（99.99%）铋立方体，用于比较。铋，曾经被认为是最重的稳定元素，已知不再真正稳定。
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在每个原子的核心中都有一个原子核：一个紧密结合的巨大结构，由至少一个质子组成，在所有情况下，除了一个质子，还有多个中子。虽然构成我们经历的日常世界的大多数原子已知是稳定的，但质子和中子的许多组合本质上是不稳定的，如果允许足够的时间，它们会衰变成不同的元素。
对于某些元素，如碳，存在多种稳定同位素，因为碳-12（具有6个质子和6个中子）是稳定的，碳-13（具有6个质子和7个中子）也是稳定的。然而，你也可以有碳-14，有6个质子和8个中子，它不稳定，但给予足够的时间，会通过发射一个电子，一个反电子中微子，并将其一个中子转化为质子来放射性衰变：在这个过程中变成氮-14。氮-14的原子核中有7个质子和7个中子，是绝对稳定的，氮的另一种同位素：氮-15，有7个质子和8个中子。
尽管有许多元素具有一种或多种稳定同位素，但有一些元素没有：锝和钷是始终不稳定的两个元素的例子。
这张图显示了5种主要类型的放射性衰变：α衰变，其中原子核发射α粒子（2个质子和2个中子），β衰变，其中原子核发射电子，伽马衰变，其中原子核发射光子，正电子发射（也称为β加衰变），其中原子核发射正电子和电子捕获（也称为逆β衰变），原子核吸收电子的地方。这些衰变可以改变原子核的原子和/或质量数。
图片来源：CNXChemistry，OpenStax/WikimediaCommons
实际上，任何形式的物质都是不稳定的，这实际上是一个相对新颖的想法：这种东西只是作为放射性的必要解释而出现的，是在年代后期发现的。含有某些元素的材料——镭、氡、铀等。——似乎自发地产生自己的能量，就好像它们是由某种固有的内部引擎驱动的。
随着时间的推移，这些反应的真相被揭开了：这些原子的原子核正在经历一系列放射性衰变。三种最常见的类型是：
α（α）衰变：原子核吐出一个α粒子（有2个质子和2个中子），在元素周期表上向下移动2个元素，
β（β）衰变：原子核将中子转化为质子，同时吐出一个电子（β粒子）和一个反电子中微子，在元素周期表上向上移动1个元素，
γ（伽马）衰变：处于激发态的原子核吐出光子（γ粒子），过渡到低能状态。
碳-14衰变成氮-14的例子是β衰变的一个例子，而铀-衰变成钍-是α衰变的一个例子。
该图应从右上角的箭头后面阅读，以显示不稳定元素铀-的衰变链（以及每一步的平均寿命）。虽然最长的一步是第一个，但铅-的最终产物只有在衰变链的第一步发生后才达到几十万年。
图片来源：美国地质调查局/公有领域
在这些反应结束时，剩余物（产物）的总质量总是小于我们开始时（反应物）的总质量，剩余质量通过爱因斯坦著名的方程E=mc2转换为纯能量。
如果你在年之前了解元素周期表，你可能知道铋，第83种元素，是最重的稳定元素，每个元素都比经历某种形式的放射性衰变（或衰变链）的元素重，直到达到真正稳定的元素。
但在年，科学家发现铋的每一种同位素本质上都是不稳定的，包括丰富的天然存在的铋-。它的寿命非常长，半衰期约为~年：大约是当前宇宙年龄的十亿倍。自从这一发现以来，元素周期表的结构发生了变化，以反映铋虽然寿命非常长，但现在已知根本不稳定。相反，这些表格现在（据我们所知）正确地报告了铅，第82个元素，是已知最重的稳定元素。
尽管铋仍然被许多人认为是“稳定的”，但它从根本上是不稳定的，并且会在~10^19年左右的时间尺度上经历α衰变。根据年进行并于年发表的实验，元素周期表进行了修订，以表明铅而不是铋是最重的稳定元素，铋和其他长寿命但不稳定的元素一样，最终都会衰变掉。
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放射性衰变发生的原因在发现放射性后的几十年里一直没有得到很好的理解：这是一个固有的量子过程。有一些守恒定律是物理定律不可分割的一部分，因为能量、电荷、线性和角动量等量总是守恒的。这意味着，如果我们要测量任何候选反应的反应物和产物（或物理上可能的产物）的这些性质，它们必须始终相等。这些数量不能自发地产生或破坏;这就是物理学中“保守”的含义。
但是，如果允许多个配置遵守所有这些守恒规则，那么有一种方法可以确定哪些配置相对于其他配置更稳定：其中一些配置在能量上更有利。“精力充沛”就像是山顶上的一个圆球，然后滚下来。它会在哪里休息？在底部，对吧？不一定。球可以有许多不同的低点结束——我们在科学中称之为“假最小值”——其中只有一个是绝对最低能量的配置：真正的最小值。
在许多物理实例中，你会发现自己被困在一个局部的、错误的最小值中，无法达到最低能量状态，这是一个真正的最小值。无论你是受到阻碍障碍的踢，这可能在经典情况下发生，还是你采取量子隧穿的纯量子力学路径，从亚稳态到真正稳定的状态在物理上被称为一阶相变。
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在经典物理学中，如果你被困在这些“假最小值”之一，或者一个不是最低配置的低点，你就会被困在那里，除非有什么东西出现给球足够的能量来超越它所在的坑的边界。只有这样，它才有机会重新开始下降，最终有可能达到低能量配置，可能最终处于最低能量（地面）状态。这就解释了为什么从山上滚下来的球会最终落在高海拔的洼地中，而不是全部停在山脚下的山谷中。
但在量子物理学中，你不需要增加能量就可以使这种转变成为可能。相反，在量子宇宙中，有可能自发地从这些错误的最小状态之一跳到低能量配置——甚至直接跳入基态——根本没有任何外部能量。这种现象被称为量子隧穿，是一个概率过程。如果自然法则没有明确禁止这样的过程发生，那么它肯定会发生。我们唯一需要回答的问题是，“需要多长时间？
跨越量子势垒的跃迁被称为量子隧穿，在给定时间内隧穿事件发生的概率取决于有关产物和反应物能量的各种参数，所涉及的粒子之间允许的相互作用，以及达到最终状态所需的允许步骤数。
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一般来说，有几个主要因素决定了不稳定（或准稳定）状态将持续多长时间。
反应物和产物之间的能量差异是什么？（较大的差异和更大的百分比差异会转化为更短的初始状态的生存期。
从当前状态到最终状态的过渡受到的抑制有多强烈？（即，能量屏障的大小是多少？更大的屏障意味着更长的使用寿命。
从初始状态到最终状态需要多少“步骤”？（更少的步骤通常会导致更可能的转变，因为单个衰变通常比衰变链进行得更快。
让你到达那里的量子途径的本质是什么？（例如，依赖于强核力的衰变通常比依赖弱核力的衰变进行得更快。
像自由中子这样的粒子是不稳定的，因为它可以经历β衰变，转变为质子、电子和反电子中微子。（从技术上讲，它是中子内部的下夸克之一，β衰变成上夸克。另一种量子粒子μ介子也是不稳定的，也经历了β衰变，跃迁为电子，反电子中微子和μ介子中微子。它们都是弱衰变，都由同一规范玻色子介导。
但由于中子衰变的产物是反应物质量的99.9%，而μ介子衰变的产物只有反应物的~0.05%，因此μ介子的平均寿命约为~2.2微秒，而自由中子的寿命约为~15分钟。
大质量原子核中核β衰变的示意图。β衰变是通过弱相互作用进行的衰变，将中子转化为质子，电子和反电子中微子。自由中子的平均寿命约为~15分钟，但就我们测量过的内，束缚中子可以是稳定的。
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这就是为什么你必须了解铋固有的不稳定性的发现是多么令人印象深刻。如果一个粒子与实验室实验的持续时间相比是短暂的，那么很容易一次观察一个粒子并测量每个粒子的寿命。然后，您可以进行大量这些测量并确定该特定粒子种类的半衰期或平均寿命等特性。
但对于寿命极长的粒子——甚至比宇宙的年龄还要长——这种方法是行不通的。如果你拿一个像铋-这样的粒子，等待整个宇宙的年龄（~13亿年），它衰变的可能性不到十亿分之一。这是一种可怕的方法，对于这种类型的长寿命粒子来说是完全不切实际的。
但是，如果你拿大量的铋-粒子，就像阿伏伽德罗的数量（6.02×），那么一年过去了，其中超过30，个会衰变：通过α衰变，变成稳定的铊-。如果您的实验足够灵敏，可以测量样品原子组成的微小变化，您将能够检测和量化铋-的不稳定程度。我们现在知道它的半衰期为2.01×年：已知寿命最长的不稳定元素。（尽管碲-和碲-的寿命更长，但双β衰变成氙-和氙-，寿命为2.2×和8.2×年，分别。
当原子核经历双中子衰变时，两个电子和两个中微子以常规方式发射。如果中微子服从跷跷板机制并且是马约拉纳粒子，那么无中微子双β衰变应该是可能的。实验正在积极寻找这一点，但到目前为止只发现了双中微子双β衰变，它描述了已知寿命最长的不稳定同位素的衰变途径。
学分：K-H。阿克曼等人，欧洲物理学杂志，
考虑到宇宙的年龄以及我们在地球上使用原子的目的，你可能会争辩说，出于所有实际目的，也许我们应该认为铋是稳定的。虽然这对于大多数实验室的考虑可能是合理的，但我们中的许多人对宇宙中最长的时间尺度上会发生什么有着永不满足的好奇心。现在我们知道有些元素和同位素在极长的时间尺度上是不稳定的——时间尺度是宇宙年龄的许多倍，是五千万亿年或更长时间的时间尺度——这足以让人怀疑，如果有足够的时间，我们认为稳定的许多元素最终会衰变。
目前已知有80种稳定元素（除锝和钷外，前82种元素全部为稳定元素），观察到这些元素共有种同位素是完全稳定的。然而，大多数科学家普遍认为，通过更长的基线观测，或者涉及大量原子核的更精确的实验，许多这些元素和同位素最终可能会衰变成其他更有利的能量配置。其中一些，如钽-m（钽-的亚稳态，有73个质子和个中子）在理论上被强烈怀疑是不稳定的，但到目前为止，从未观察到衰变。
该图显示了所有已知元素的原子同位素，由这些同位素的已知寿命着色。虽然目前在种稳定元素中有80种已知的稳定同位素，但随着进一步的研究和更好的测量，这些数字可能会减少。任何元素在无限的时间尺度上是否真正稳定还有待确定。
信用：BenRG/维基共享资源
那么，我们目前认为今天稳定的元素和同位素中，有多少有一天会被证明是固有的不稳定的呢？信不信由你，这是科学中最大的开放性问题之一。最重的稳定元素铅具有四种已知的稳定同位素，包括铅-：最丰富的天然铅形式。其中有多少是真正稳定的？
在核物理学中，有所谓的幻数：对应于原子核内可以排列成完整、填充的“壳”中任何类型（质子或中子）的核子数量的数字。（就像电子在原子内形成壳一样，核子在原子核内形成壳层。已知的幻数是：
2,
8,
20,
28,
50,
82,
和，
铅-是一个双魔核：有82个质子和个中子。一些双魔法核非常稳定，例如铅-、氦-4、氧-16和钙-40。但是，如果我们等待足够长的时间，它们真的稳定吗：几年甚至更长时间的咕噜咕噜？如果我们等待足够长的时间，任何已知的元素是否真的稳定，或者任何含有质子和中子的东西最终会衰变吗？
虽然物理学的前沿通常涉及比质子或中子更基本的亚原子粒子，但我们宇宙遥远的未来命运取决于这些问题的答案。随着21世纪的不断发展，我们可以预期已知的稳定同位素数量将从目前的个值减少。但它会减少到什么程度是一个只有未来的研究才能回答的问题。
