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  在自然存在的氙元素中存在9種不同的氙同位素,其中有5個穩定同位素、2個觀測上穩定的同位素和2個極微弱放射性同位素。由於Xe根據預測能夠進行雙重β衰變,但這未經實驗證明,因此該同位素仍被認為是穩定的。氙是自然存在穩定同位素第二多的元素,最多的是錫,其共有7個穩定同位素和3個觀測上穩定的同位素。穩定同位素數量高於7個的元素只有錫。  在自然存在的氙同位素中,丰度最高的是氙-132,佔26.9%、其次為氙-129,佔26.4%、再來是氙-131,佔21.2%、以及氙-134,佔10.4%、還有氙-136,佔8.86%,其餘丰度皆在5%以下,包括氙-130(丰度:4.07%)、氙-128(丰度:1.91%)、氙-124(丰度:0.095%)以及氙-126(丰度:0.089%),其中氙-136和氙-124有微弱的放射性,前者會經由雙重β衰變衰變成鋇-136,半衰期約2×10年,後者會經由雙電子俘獲衰變成碲-124,半衰期約1.8×10年。  能夠形成氙的自然過程包括:超新星爆炸,紅巨星用盡氫燃料進入漸近巨星分支後的慢中子捕獲過程(s-過程),一般新星爆炸,以及碘、鈾和鈽等元素的放射性衰變。

  氙-124是一種自然存在的氙放射性同位素之一,在天然氙元素中第二少的同位素,丰度約為0.095%。最少的是氙-126,丰度約只有0.089%。Xe能夠進行雙電子俘獲衰變成碲-124,半衰期約1.8×10年。

  氙-129是氙的穩定同位素之一,丰度約為26.4%,是天然氙元素中第二多的同位素。最多的是氙-132,丰度約為26.9%。  氙-129是碘-129的衰變產物,半衰期約為1.57×10年,由於太陽系形成早期的碘-129幾乎都衰變成氙-129了,因此有時會稱碘-129是一種已滅絕的天然放射性同位素,也因此,氙-129的比例對研究太陽系早期歷史有重要的作用。  氙-129有兩種核同質異能素,其中基態的氙-129質量為128.9047794,質量欠缺為-88.6960MeV,具有自旋1/2,由於Xe原子核的自旋為1/2,所以其電四極矩為零,故Xe核在與其他原子撞擊時,不會有任何四極相互作用。這使得它的超極化狀態能夠持續更長的時間,甚至在鐳射束關閉及鹼氣體在室溫表面冷凝後,仍能保留該狀態。Xe的自旋極化在血液中能持續數秒,在氣態下持續數小時,並在深度冷凍的固態下持續數天。  另外一種核同質異能素為氙-129m,激發能量為236.14 keV,但比基態的氙-129還不穩定,半衰期只有8天19時,會經由核異構轉變衰變,躍遷回基態的氙-129,並釋放γ射線光子。  在醫學上,超極化的Xe同位素在磁共振成像儀中更易檢測,所以被用於研究包括肺在內的各種器官,例如肺內氣體的流動。

  氙-131是一種自然存在的氙同位素之一,在天然氙元素中排第三位,丰度約為21.2%,與前兩個同位素氙-132、氙-129相當,約各佔三分之一。  氙-131與氙-129都具有非零的固有角動量(自旋,可用於核磁共振)。利用圓極化光和銣氣體,氙的核自旋對齊可以超越普通的極化。如此產生的自旋極化能夠超過其最高可能值的50%,遠遠大於玻爾茲曼分佈的平衡值(在室溫下通常不超過最高值的0.001%)。這種非平衡態的自旋對齊是短暫的,稱為超極化現象。對氙進行超極化的過程叫做光抽運(但不同於鐳射抽運)。  氙-131有一種核同質異能素激發能量為163.930 keV,半衰期不到12天,會經由核異構轉變衰變,躍遷回基態的氙-131,並釋放γ射線光子。

  氙-134是一種自然存在的氙同位素之一,在天然氙元素中排第四位,丰度約為10.4%,是一種觀測上穩定的同位素,即其根據預測能夠進行雙重β衰變,衰變成碲-134,半衰期約為11×10年,但這未經實驗證明,因此稱為觀測上穩定的同位素。

  氙-136是一種自然存在的氙放射性同位素之一,在天然氙元素中第五多的同位素,丰度約為8.86%,具有微弱的放射性,會經由雙重β衰變,衰變成鋇-136。氙-136具有極長的半衰期2.165×10年,其壽命已超過宇宙年齡。

  氙有40多種不穩定的放射性同位素,其中壽命最長的為Xe,它會進行雙電子俘獲衰變,半衰期為1.8年。I在β衰變後,會產生Xe同位素。該反應的半衰期為1600萬年。另外Xe、Xe、Xe和Xe都是U和Pu的核裂變產物,因此被用作探測核爆炸的發生。

  氙-109是目前已發現最輕的氙同位素,雖然有些文獻會提供氙-108的資料,但多半隻有關於其質量欠缺或自旋的理論值。  氙-109的質量欠缺約為-45.92 MeV,半衰期約為13毫秒,會經由α衰變,衰變成碲-105,碲-105同樣會經由α衰變,衰變成錫-101,但半衰期短得多,僅有0.62微秒。

  氙-113是氙的放射性同位素之一,是氙的同位素中衰變時會有最多衰變方式的核素。氙-113的質量欠缺約為-62.2036 MeV,半衰期有2.74秒,其衰變時92.98%的氙-113經過正電子發射衰變成碘-113、7%的氙-113會釋放出一個正電子和一個電微中子和一個質子衰變成碲-112、有0.011%的氙-113會發生α衰變,衰變成碲-109,其餘的氙-113則會同時釋放正電子及α粒子。

  氙-123是氙的同位素中,唯一兩種會進行電子俘獲衰變的同位素之一,半衰期約為兩小時,另外一種會進行電子俘獲衰變的同位素是氙-127。

  氙-127是氙的同位素中,唯一兩種會進行電子俘獲衰變的同位素中,穩定性最佳的同位素,比另外一種會進行電子俘獲衰變的氙-123半衰期長,氙-127的半衰期超過一個月,約為36天,而氙-123半衰期約只有兩小時。氙-127和氙-123同樣擁有一種核同質異能素,同樣是以氙-127較為穩定:半衰期為69秒,而僅有5微秒。

  氙-133是氙的放射性同位素之一,會經由β衰變衰變成銫-133,半衰期約5天6小時,可以用於醫療用途中,在醫療藥品中稱為Xeneisol,解剖學治療學及化學分類系統程式碼為。氙-133是可以進行肺部成像的吸入評估肺功能的放射性同位素,它還可用於將血液流動成像,尤其是在大腦中,放射性同位素Xe的伽馬射線也可用來對心、肺和腦進行成像,例如單光子發射電腦攝影。Xe也被用於測量血流。。此外,氙-133也是一種裂變產物。

  氙-135是氙的放射性同位素之一,會經由β衰變衰變成銫-135,半衰期約9小時8分鐘,可在核反應爐中對可以裂變物質進行中子照射產生。Xe在核裂變反應爐中具有重要的作用。Xe的熱中子截面很高(2.6×10靶恩),因此可用作中子吸收劑或中子毒物,從而減慢或停止連鎖反應。美國曼哈頓計劃中用來產生鈽元素的最早期反應爐就用到了氙的這一作用。Xe在反應爐中作為中子毒物,對切爾諾貝爾核事故有著重要的影響。反應爐的關閉或功率的降低可以造成Xe的積聚,使反應爐進入所謂的碘坑(或稱氙坑)狀態。氙-135是核反應爐中最重要的中子吸收劑,可通過碘-135的衰變產生。  氙-135有一種核同質異能素,,激發能量約為526.551 keV,但半衰期比基態的氙-135短得多,只有約15分鐘。大部分的會經由核異構轉變衰變,躍遷回基態的氙-135,只有少數的,約2萬5千個中,只有1個會發生貝他衰變衰變成銫-135。

  氙-148是目前已發現最重的氙同位素,半衰期約為408奈秒,會經由β衰變,衰變成銫-148,或發射一箇中子跟電子,衰變成銫-147。

  備註:畫上#號的資料代表沒有經過實驗的證明,只是理論推測而已,而用括號括起來的代表資料不確定性。
氙(,原子量:131.293(6))的同位素,其中有5個穩定同位素和2個觀測上穩定的同位素,這7種同位素都可以在天然的氙元素中找到,是所有元素中,穩定元素第二多的元素。除這些穩定同位素之外,氙還有40多種不穩定同位素。其中壽命最長的為Xe,它會進行雙β衰變,半衰期為2.11年。氙同位素的相對比例對研究太陽系早期歷史有重要的作用。