某元素中不發生或極不易發生放射性衰變的同位素。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁分析器發現天然氖是由質量數為20和22的兩種同位素所組成，首次發現瞭穩定同位素。1919年阿斯頓製成質譜儀，並在50種以上的元素中發現瞭200多種核素，絕大多數是穩定的；後來又利用光譜等方法發現瞭氧、氮等元素的穩定同位素。已知有81種元素有穩定同位素，穩定核素的總數為274種（包括半衰期大於1016年的放射性核素）。
穩定性 通常以原子核的比結合能ε=EB/A作為穩定性的量度；EB為核的平均結合能，A為核子數(質量數）。ε越大，體系的能量越低，也就越穩定。
自然界中，質子數Z的穩定范圍在1～83，例外的是沒有Z為43、61的穩定核素。A的穩定范圍在1～209，但沒有A為5、8的穩定核素。中子數N的穩定范圍在0～126，其中沒有N為19、21、35、39、45、61、71、89、115、123的穩定核素。
將自然界中存在的核素以N(N=A－Z)為縱坐標，Z為橫坐標作圖（圖1），成一條窄帶。在輕核部分，N=Z，隨著Z的增大，窄帶漸偏離N=Z的直線而向上發散，至N=83，中子與質子比為1.52，以後就沒有穩定核素。這說明核的穩定性與中子與質子比值有關，有近似的對稱關系，即核穩定性的對稱規則。
核素的穩定性還與核子數的偶奇性有密切聯系。偶Z的元素比奇Z的有多得多的穩定同位素，且偶Z和偶N的占大多數。事實上，奇Z的元素最多隻有兩個穩定同位素，而且它們幾乎常是偶N的。這就是核穩定性的偶–奇規則，也即奧多–哈金斯規則。
圖1 同位素圖解
組成 元素的同位素組成常用同位素豐度表示，指一種元素的同位素混合物中，某同位素的原子數與該元素的總原子數之比。天然物質中的大多數元素，特別是較重元素的同位素組成具有明顯的恒定性。但由於在自然條件下進行的物理、化學和生物等作用，對於同位素，特別是輕元素的同位素起著不斷的分離作用；放射性衰變或誘發核反應，使某些元素的同位素還在繼續產生或消滅。因而，隨樣品來源環境的變遷，元素的同位素組成又在某一范圍內漲落。
在Z＜28的元素中，往往有一種同位素在豐度上占絕對優勢，而其餘同位素豐度很低。當Z＞28，同位素的豐度趨向均勻。偶Z的元素中，豐度最大的同位素是偶N的，最輕和最重的穩定同位素也是偶N的，且偶N的同位素豐度總和占70%以上，而奇N的同位素豐度總和卻不超過30%。
絕對豐度是指地球上各元素或核素存在的數量比，也稱元素豐度，對宇宙而言叫宇宙豐度（能觀測到的部分宇宙）。元素的宇宙豐度與Z的關系如圖2所示，可見元素的豐度隨Z的增長而急劇下降，至Z＞50，下降才較緩慢。還可看出，偶Z的元素豐度普遍大於奇Z的元素豐度，地球和隕石物質90%以上是由偶Z的元素構成。另外，從同位素在地殼中分佈的數據可知，分佈最廣的穩定同位素是偶Z和偶N的同位素。在研究核穩定性和核素分佈情況時還發現，中子或質子數為2、8、20、28、50、82和126等的原子核具有特殊的穩定性和較大的豐度，這些數值稱作幻數，圖中的高峰處就是幻數核。
分析方法 同位素分析通常是指樣品中被研究元素的同位素組成的測定。
質譜法 穩定同位素分析中最通用、精確的方法。它是先使樣品中的分子或原子電離，形成各同位素的相似離子，然後在電、磁場的作用下，使不同質量與電荷之比的離子流分開進行檢測。質譜計幾乎能用於所有元素的穩定同位素分析。見質譜法。
密度法 一般用於水中氫、氧的同位素分析，其中有比重瓶法、落滴法、浮沉子法等，是水中氫、氧的同位素的簡易、有效的分析方法。
氣相色譜法 可用於氫、氮、氧等元素的同位素分析。是一種簡單、易行的分析方法。見氣相色譜法。
其他如光譜法（如紅外光譜法、原子發射光譜法、原子吸收光譜法）、核磁共振法、中子活化分析（見活化分析）等都可用於穩定同位素分析。
分離和應用 大多數元素是其同位素的混合物，需用特殊的精密分離方法才能將其彼此分離（或部分分離）。同位素分離有精餾、電解、化學交換、熱擴散、電磁分離等方法。穩定同位素在核能、地質、化學、生物和醫學等領域有廣泛的應用，如氘、鋰−6是重要的核燃料；氫、氮、碳、氧、硫等輕元素的穩定同位素則廣泛作為示蹤原子。
圖2 元素的宇宙豐度與Z的關系
推薦書目
郭正誼. 穩定同位素化學. 北京: 科學出版社, 1984.