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これは同位体の安定性による化学元素のリストです。周期表の最初の82元素のうち、80には安定していると考えられる同位体があります。 [1]全体として、合計251の安定同位体が知られています。
背景
原子核は陽子と中性子で構成されており、これらは核力によって互いに引き合い、一方陽子は正電荷による電気力によって互いに反発します。この 2 つの力が競合するため、中性子と陽子の組み合わせによっては、他の組み合わせよりも安定することがあります。中性子は陽子を引き付け、陽子間の電気反発を相殺するため、原子核を安定化します。その結果、陽子の数が増えるにつれて、安定した原子核を形成するために中性子と陽子の比率を増やす必要があります。最適な比率に対して中性子が多すぎたり少なすぎたりすると、原子核は不安定になり、特定のタイプの原子核崩壊を起こしやすくなります。不安定同位体は、さまざまな放射性崩壊経路、最も一般的なのはアルファ崩壊、ベータ崩壊、または電子捕獲によって崩壊します。自発核分裂やクラスター崩壊など、多くのまれなタイプの崩壊が知られています。 （詳細は放射性崩壊を参照。） [要出典]
周期表の最初の82元素のうち、80元素は安定していると考えられる同位体を持っています。 [1] 83番目の元素であるビスマスは、伝統的に最も重い安定同位体であるビスマス209を持つと考えられていましたが、2003年にフランスのオルセーの研究者がビスマスの半減期を測定した結果、209
バイ
である1.9 × 10 19 年です。[2] [3] テクネチウムとプロメチウム（それぞれ原子番号43と61 [a] ）と原子番号82以上のすべての元素は、放射性崩壊によって分解することが知られている同位体のみを持っています。未発見の元素は安定しているとは予想されていないため、鉛が最も重い安定元素と考えられています。ただし、現在安定していると考えられている同位体の中には、非常に長い半減期で崩壊することが明らかになるものもあります（209
バイ
このリストは、2023年時点で科学界の総意によって合意された内容を示しています。[1]
80 個の安定元素それぞれについて、安定同位体の数が与えられている。完全に安定していると予想される同位体は 90 個のみで、さらに 161 個はエネルギー的に不安定だが[引用が必要]、崩壊が観測されたことはない。したがって、251 個の同位体 (核種) は定義上安定している (崩壊がまだ観測されていないタンタル 180m を含む)。将来放射性であることが判明する可能性のある同位体は、半減期が 10 22年を超えると予想される(たとえば、キセノン 134)。[引用が必要]
2019年4月、キセノン124の半減期が1.8×10 22年と測定されたことが発表されました。これは、不安定同位体で直接測定された半減期としては最長です。[4]これより長いのはテルル128の半減期のみです。[要出典]
化学元素のうち、1つの元素（スズ）のみが10個の安定同位体を持ち、5つは7個の安定同位体を持ち、7つは6個の安定同位体を持ち、11は5個の安定同位体を持ち、9つは4個の安定同位体を持ち、5つは3個の安定同位体を持ち、16は2個の安定同位体を持ち、26は1個の安定同位体を持っています。[1]
さらに、自然界に存在する元素のうち約 31 種の核種には、半減期が太陽系の年齢(約 10 9年以上) よりも長い不安定同位体があります。[b]さらに 4 種の核種の半減期は 1 億年以上で、これは太陽系の年齢よりはるかに短いですが、一部の核種が生き残るには十分な長さです。これらの 35 種の放射性自然界核種は、放射性 原始核種を構成します。したがって、原始核種の総数は 251 種 (安定核種)と35 種の放射性原始核種を足して、合計286 種の原始核種になります。この数は、地球上で新しい短寿命の原始核種が特定された場合、変更される可能性があります。[要出典]
原始核種の1つにタンタル180mがあり、半減期は10 15年を超えると予測されていますが、崩壊が観測されたことはありません。テルル128のさらに長い半減期2.2 × 10 24年は、放射性娘核種であるキセノン128を検出する独自の方法で測定され、実験的に測定された半減期としては最長のものとして知られています。[5]もう1つの注目すべき例は、ビスマスの唯一の天然同位体であるビスマス209で、非常に長い半減期で不安定であると予測されていますが、崩壊が観測されています。半減期が長いため、このような同位体は地球上に現在でもさまざまな量で存在し、安定同位体とともに原始同位体と呼ばれています。すべての原始同位体は、地球上での存在量が多い順で示されています。[c]半減期順に並べた原始核種の一覧については、核種一覧を参照のこと。[要出典]
118 種類の化学元素の存在が知られています。元素番号 94 までのすべての元素は自然界に存在し、発見された残りの元素は人工的に生成されたもので、同位体はすべて放射性が高く、半減期が比較的短いことが知られています (下記参照)。このリストの元素は、最も安定した同位体の寿命の順に並べられています。[1]これらのうち、3 つの元素 (ビスマス、トリウム、ウラン) は、半減期が十分長いため地球上で今でも見つかるため原始的であり、[d]その他はすべて放射性崩壊によって生成されるか、研究室や原子炉で合成されます。38 種類の既知だが不安定な元素のうち、半減期が 100 年以上である同位体を持つのは 13 種類だけです。残りの 25 種類の元素の既知の同位体はすべて放射性が高く、学術研究や産業、医療に使用されています。[e]周期表のより重い元素の中には、ここに挙げられているものよりも寿命の長い、まだ発見されていない同位体を持つものがあるかもしれない。[f]
地球上には、約 338 種の核種が自然に存在する。これらは 251 種の安定同位体で構成され、半減期が 1 億年以上の長寿命放射性同位体 35 種を加えると、上記のように合計 286 種の原始核種となる。自然に存在する核種は、286 種の原始核種だけでなく、原始同位体の娘核種（ウランからラジウムが生成されるなど）である約 52 種の短寿命同位体（半減期が 1 億年未満で、地球形成時から存在し続けるには短すぎる）も含まれる。あるいは、宇宙線の衝撃によって大気中の窒素から生成される炭素 14のように、エネルギーの強い自然プロセスによって生成される。[要出典]
原始同位体の数による元素
陽子や中性子の数が偶数の場合、対効果により安定する（結合エネルギーが高くなる）ため、偶数-偶数核種は奇数-奇数核種よりもはるかに安定しています。その効果の 1 つは、安定した奇数-奇数核種が少ないことです。実際、安定しているのは 5 種類だけで、他の 4 種類の半減期は 10 億年以上です。[要出典]
もう 1 つの効果は、多くの偶数-偶数核種が同じ質量数でエネルギーの低い別の偶数-偶数核種へのベータ崩壊を防ぐことです。これは、一度に 1 ステップずつ進行する崩壊では、よりエネルギーの高い奇数-奇数核種を通過する必要があるためです。(偶数-偶数から偶数-偶数への、奇数-奇数核種を飛ばした直接の二重ベータ崩壊は、まれにしか発生せず、非常に強く阻害されるプロセスであるため、半減期は宇宙の年齢の10 億倍を超えます。) これにより、安定した偶数-偶数核種の数が多くなり、質量数によっては最大 3 つ、原子 (陽子) 数によっては最大 7 つ、鉄以外のすべての安定した偶数Z元素(ストロンチウムと鉛を除く)では少なくとも 4 つになります。[要出典]
陽子の数が奇数の原子核は比較的安定性が低いため、奇数元素は安定同位体が少なくなる傾向があります。安定同位体が 1 つしかない 26 個の「モノアイソトピック」元素のうち、1 つを除いてすべて原子番号が奇数です。唯一の例外はベリリウムです。さらに、奇数元素は 2 つ以上の安定同位体を持ちませんが、安定同位体を持つ偶数元素はすべて、ヘリウム、ベリリウム、炭素を除き、少なくとも 3 つを持っています。奇数元素のうち、3 つの原始同位体を持つのはカリウムだけです。3 つを超える原始同位体を持つ元素はありません。[要出典]
テーブル
以下の表は、原始核種を持つ元素を示しています。これは、地球が太陽系星雲から形成されたときから存在していたため、地球上で天然源から現在でも特定できる元素を意味します。したがって、長寿命の親原始核種の短寿命の娘核種はありません。半減期が十分に長いものの、原始核種として決定的に観測されていない 2 つの核種 ( 244 Pu と146 Sm) は除外されています。[引用が必要]
元素表は、各元素に関連する核種の数の降順で並べられています。(元素の混合を含む、核種の半減期のみで並べたリストについては、核種リストを参照してください。) 安定核種と不安定核種(顕著な崩壊)が示され、不安定核種(放射性核種)の記号はイタリック体で示されています。この並び替えでは、元素が純粋に安定核種の順序で並べられているわけではないことに注意してください。一部の元素には長寿命の不安定核種が多く、安定核種の数が多い元素よりも前に位置するためです。慣例により、実験または崩壊生成物の観察によって崩壊が観測されたことがない核種は「安定」としてカウントされます(タンタル-180m など、理論上のみ不安定な極端に長寿命の核種は安定としてカウントされます)。[要出典]
最初の表は、陽子-陽子対合によってもたらされる安定性のため、はるかに多くの原始核種を持つ傾向がある、原子番号が偶数の元素用です。2 番目の別の表は、安定で長寿命の (原始的な) 不安定核種がはるかに少ない傾向がある、原子番号が奇数の元素用です。[引用が必要]
原始同位体を持たない元素
少なくとも 1 つの安定同位体を含む元素。
わずかに放射性の元素: 最も安定した同位体は半減期が 200 万年以上と非常に長寿命です。
放射性元素: 最も安定した同位体の半減期は 800 年から 34,000 年です。
放射性が非常に高い元素: 最も安定した同位体の半減期は 1 日から 130 年です。
放射性元素: 最も安定した同位体の半減期は数分から 1 日です。
極めて放射性の高い元素: 最も安定した既知の同位体の半減期は数分未満です。
参照
脚注
- ^ abc テクネチウムとプロメチウムに安定同位体がない理由の詳細については、「テクネチウム同位体の安定性」および「プロメチウム同位体の安定性」を参照してください。
- ^ abc 半減期が約 10 8年を超える同位体は地球上でまだ見つかるかもしれませんが、相当な量で見つかるのは半減期が 7×10 8年を超えるもの ( 235 Uの場合) だけです。このリストでは、半減期が約 10 8年の同位体は地球上で微量しか測定されていないため、いくつかは除外しています。半減期が 246,000 年で天然同位体存在比が 0.0055% のウラン 234は特殊なケースで、原始核種ではなくウラン 238の崩壊生成物です。
- ^ ab 地球上にも極めて長い半減期を持つ不安定同位体があり、そのいくつかは特定の元素のすべての安定同位体よりも豊富である（例えば、ベータ活性の187 Reは安定な185 Reの2倍豊富である）。また、同位体の自然存在比が大きいということは、その同位体が現在地球（そしてもちろん太陽系の残りの部分）を構成している物質を生成した恒星の元素合成プロセスによって形成が促進されたことを意味する（太陽系の形成と進化も参照）。アルゴンの場合、宇宙的に希少な40
地球上ではArが優勢36
アルゴンは揮発性が高いため、地球の初期の原始大気中に留まることはできなかったが、40
Arは長寿命で非揮発性の崩壊生成物である40
K。地球の大気中のアルゴンのほとんどはカリウム40の崩壊によって生成されます。宇宙のアルゴンのほとんどはそうではありません。現在、地球上のカリウムの0.012% (120 ppm ) は40
K .地球の年齢と40
K（約12億5千万年）では、この比率は惑星が最初に形成されたときには約1桁高かった。その後崩壊した40
Kが制作40
Ar、残りは崩壊して40
約. - ^ abc ビスマスには原始同位体が1つしかありませんが、ウランには自然界に大量に見られる同位体が3つあります（238
あなた
、235
あなた
、 そして234
あなた
;最初の2つは原始的であり、234 Uは放射性である）、トリウムには2つの（原始的232
の
および放射性230
の
）。 - ^ 放射性元素のさまざまな産業および医療への応用については、放射性核種、核医学、一般的なベータ線放出体、一般的に使用されるガンマ線放出同位体、フッ素 18、コバルト 60、ストロンチウム 90、テクネチウム 99m、ヨウ素 123、ヨウ素 124、プロメチウム 147、イリジウム 192などを参照してください。
- ^ abcdefghijklmnopqrstu カリホルニウムよりも原子番号が大きい元素（Z>98）の場合、既知の同位体よりも安定した未発見の同位体が存在する可能性があります。
- ^ ab 凡例: yr=年、d=日、h=時間、min=分、s=秒。
参考文献
- ^ abcdefghi Sonzogni, Alejandro. 「核種のインタラクティブチャート」。国立核データセンター：ブルックヘブン国立研究所。 2019年8月30日閲覧。
- ^ マルシラック、ピエール・ド;ノエル・コロン;ジェラール・ダンビエ。ジャック・ルブランとジャン・ピエール・モアリク（2003）。 「天然ビスマスの放射性崩壊からのα粒子の実験的検出」。自然。422 (6934): 876–878。Bibcode :2003Natur.422..876D。土井：10.1038/nature01541. PMID 12712201。S2CID 4415582 。
- ^ Dumé, Belle (2003-04-23). 「ビスマスがアルファ崩壊の半減期記録を破る」. Institute of Physics Publishing.
- ^ シーゲル、イーサン。「ダークマター探索で驚くべきボーナスを発見：史上最長寿命の不安定元素」フォーブス。 2019年4月25日閲覧。
- ^ 「Noble Gas Research」。2011年9月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年1月10日閲覧。新規ガス研究。2009 年 4 月 26 日にアクセス