ガドリニウム(Gd)の同位体のうち天然に生成するものには、Gd、Gd、Gd、Gd、Gd、Gdの6種類の天然同位体とGdという1種類の放射性同位体があり、天然存在比が24.84%のGdが最も多い。Gdは二重ベータ崩壊すると推測されているが、半減期は1.3×10年以上と見積もられ、未だ観測されたことはない。29種類の放射性同位体が知られ、最も安定なGdの半減期は1.08×10年、Gdの半減期は1.79×10年である。その他は全て74.7年以内で、そのほとんどは24.6秒以内である。4種類の核異性体もあり、安定なものはGd (半減期110秒)、Gd (半減期85秒)、Gd (半減期24.5秒)である。最も安定なGdよりも軽い同位体は電子捕獲によりユウロピウムに、Gdよりも重い同位体はベータ崩壊によりテルビウムに崩壊する。Gdは、240.4±10日の半減期で41KeVと102KeVに強いピークを持ったガンマ線を放出しながらガンマ崩壊する。これは、X線吸光光度分析法や骨粗鬆症のための骨密度測定等のX線源として用いられる。標準原子量は157.25(3) uである。

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