サマリウム(Sm)の同位体のうち天然に生成するものは、Sm、Sm、Sm、Smと、半減期の極めて長い放射性同位体であるSm（半減期1.06×10年）、Sm（半減期7×10年）、Sm（半減期>2×10年）からなる。Smは天然存在比が26.75%と最も豊富に存在する。Smも10と長い半減期を持ち、超新星爆発の残渣があった場合のみ、天然に生成する。Smの半減期は90年、Smの半減期は340日である。その他は全て2日以内で、そのほとんどは48秒以内である。5種類の核異性体もあり、安定なものはSm (半減期 22.6分)、Sm (半減期 66秒)、Sm (半減期 10.7秒)である。最も安定なSmよりも軽い同位体は電子捕獲によりプロメチウムに、Smよりも重い同位体はベータ崩壊によりユウロピウムに崩壊する。サマリウムの同位体は、岩石と小惑星の年代の関係を調べるサマリウム-ネオジム年代測定に用いられる。標準原子量は150.36(2) uである。

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