核種

核種（または核体、核から派生、核種としても知られる）は、陽子の数Z、中性子の数N、および核エネルギー状態によって特徴付けられる原子のクラスである。[ 1 ^]

核種という言葉は、 1947年にアメリカの原子物理学者トルーマン・P・コーマンによって造られました。 ^[2]^[3]コーマンは核種を「一定数の中性子と陽子を含む、その核の構成によって特徴付けられる原子種」と定義しました。したがって、この用語はもともと核に焦点を当てていました。

核種と同位体

核種とは、原子核内に特定の数の陽子と中性子を持つ原子種であり、例えば炭素 13 には 6 個の陽子と 7 個の中性子がある。核種の概念 (個々の核種を指す) は、化学的性質よりも核の性質を重視し、同位体の概念 (各元素のすべての原子をグループ化する) は、核の性質よりも化学的性質を重視している。中性子の数は核の性質に大きな影響を与えるが、化学反応への影響はほとんどの元素で無視できる。同位体間で中性子数と原子番号の比率が最も異なる非常に軽い元素の場合でも、通常は影響はわずかだが、状況によっては重要になる。最も軽い元素である水素の場合、同位体効果は生物系に強く影響するほど大きい。ヘリウムの場合、ヘリウム 4 はボーズ・アインシュタイン統計に従い、ヘリウム 3 はフェルミ・ディラック統計に従う。同位体は古い用語であるため、核種よりもよく知られており、核技術や核医学など、核種の方が適切な文脈で今でも時々使用されます。

核種の種類

核種と同位体という言葉はしばしば同じ意味で使われますが、同位体であることは実際には核種間の関係の 1 つにすぎません。次の表に、その他の関係をいくつか示します。

陽子数（原子番号）が等しい核種の集合、すなわち同じ化学元素だが中性子数が異なる核種の集合は、その元素の同位体と呼ばれる。特定の核種は今でもしばしば「同位体」と漠然と呼ばれるが、一般的には「核種」という用語が正しい（すなわち、Zが固定されていない場合）。同様に、質量数 Aが等しいが原子番号が異なる核種の集合は同重体（同重体 = 重さが等しい）と呼ばれ、同位体は中性子数が等しいが陽子数が異なる核種である。同様に、中性子過剰（ N − Z ）が同じ核種は同重体と呼ばれる。^[4]同位体n eという名前は同位体p eという名前から派生したもので、最初の核種群では中性子数（n）が一定であるのに対し、2番目の核種群では陽子数（p）が一定であることを強調している。^[5]

さまざまな核種または同位体の種類に使用される表記法の説明については、同位体#表記法を参照してください。

核異性体は、陽子数と質量数が等しい（したがって定義上は同じ同位体）核種セットのメンバーであるが、励起状態が異なる。例として、単一同位体の2つの状態が挙げられる。⁹⁹
₄₃TC
崩壊図の中に示されています。これら 2 つの状態 (テクネチウム 99m とテクネチウム 99) はそれぞれ異なる核種として分類され、核種が同位体と異なる 1 つの例を示しています (同位体は異なる励起状態の複数の異なる核種で構成される場合があります)。

最も長寿命の非基底状態の核異性体は、核種タンタル-180m（^{180メートル}
₇₃タ
) は、半減期が 1,000 兆年を超える核種です。この核種は原始的に存在し、基底状態に崩壊する様子は観測されていません。(対照的に、基底状態の核種タンタル 180 は、わずか 8 時間の半減期で¹⁸⁰ Hf (86%) または¹⁸⁰ W (14%) に崩壊するため、原始的に存在していません。)

自然界には崩壊が観測されていない核種が 251 種類あります。これらは、1 つ以上の安定同位体を持つ 80 種類の元素の中に存在します。安定核種と原始核種を参照してください。不安定核種は放射性であり、放射性核種と呼ばれます。それらの崩壊生成物(「娘」生成物) は放射性核種と呼ばれます。

天然放射性核種の起源

天然放射性核種は、便宜上3つのタイプに分類できる。^[6]第一に、半減期t _1/2が地球の年齢の少なくとも2％であるもの（実用上、半減期が地球の年齢の10％未満では検出が困難である）（4.6 × 10 ⁹ 年）。これらは太陽系が形成される前に恒星で起こった元素合成の名残である。例えば、同位体²³⁸
あなた
(t _1/2 =4.5 × 10 ⁹ 年）のウランは自然界にまだかなり豊富に存在するが、より寿命の短い同位体は²³⁵
あなた
(t _1/2 =0.7 × 10 ⁹ 年）は138倍も希少です。これらの核種は約34種類発見されています（詳細は核種一覧と始原核種を参照）。

自然界に存在する放射性核種の第2のグループは、次のような放射性核種で構成されています。²²⁶
ラ
(t _1/2 =半減期が短すぎるため原始核種とは言えず、自然界にはより長寿命の放射性原始核種の崩壊のみによって存在する、半減期が短すぎる娘核種が約 51 種存在する。

3 番目のグループは、単純な自発的な放射性崩壊(つまり、入射粒子がなく 1 つの原子のみが関与する) ではなく、自然の核反応を伴う別の方法で継続的に生成される核種で構成されます。これらは、原子が自然の中性子 (宇宙線、自発核分裂、またはその他の発生源から) と反応するか、宇宙線に直接衝突したときに発生します。後者は、原始的でない場合は宇宙生成核種と呼ばれます。他の種類の自然の核反応は、核生成核種と呼ばれる核種を生成します。

核反応によって生成される核種の例としては、宇宙線起源の核種が挙げられる。¹⁴
Ｃ
（放射性炭素）は宇宙線による他の元素の衝突によって生成され、核生成²³⁹
プ
これは、天然の核融合反応による中性子の衝突によって今も生成されている。²³⁸
あなた
ウラン鉱石の自然核分裂の結果として。宇宙線生成核種は安定しているか放射性である可能性がある。安定している場合、既知の安定核種はすべて太古の昔から地球上に存在しているため、安定核種の背景からその存在を推測する必要がある。

人工的に生成された核種

天然に存在する核種以外にも、半減期の異なる 3000 種類以上の放射性核種が人工的に生成され、特徴付けられています。

既知の核種は核種表に示されています。原始核種の一覧は、同位体の安定性による元素の一覧に、元素別に並べられています。核種の一覧は、半減期が 1 時間を超える 905 個の核種について、半減期順に並べられています。

各核種の数の要約表

これは、核種リストに記載されている半減期が1時間を超える905核種の概要表^[7]です。数値は正確ではなく、一部の「安定した」核種が非常に長い半減期を持つ放射性であることが観測された場合、将来的に若干変更される可能性があることに注意してください。

核特性と安定性

水素以外の原子核¹
₁H
原子核では、陽子と中性子が残留強い力によって結合しています。陽子は正に帯電しているため、互いに反発します。電気的に中性である中性子は、2つの方法で原子核を安定化します。共存すると陽子がわずかに離れ、陽子間の静電反発力が弱まり、中性子同士および陽子に核引力を発揮します。このため、2つ以上の陽子が原子核に結合するには、1つ以上の中性子が必要です。陽子の数が増えると、安定した原子核を確保するために必要な中性子と陽子の比率も増加します（グラフを参照）。たとえば、³
₂彼
は1:2で、中性子と陽子の比率は²³⁸
₉₂あなた
は3:2より大きい。より軽い元素の多くは、1:1（Z = N）の比率で安定な核種を持つ。⁴⁰
₂₀カナダ
(カルシウム 40) は観測上、中性子と陽子の数が同じ最も重い安定核種です。カルシウム 40 より重い安定核種はすべて、陽子よりも多くの中性子を含んでいます。

核子の偶数と奇数

陽子中性子比は、原子核の安定性に影響を与える唯一の要因ではありません。原子核の安定性は、原子番号 Z 、中性子数 N 、そしてその結果としてそれらの合計である質量数 A の偶奇性にも依存します。ZとNが両方とも奇数であると、原子核の結合エネルギーが低下する傾向があり、奇数の原子核は一般に安定性が低下します。隣接する原子核、特に奇数A 同位体間の原子核の結合エネルギーのこの顕著な差は、重要な結果をもたらします。中性子または陽子の数が最適でない不安定同位体は、ベータ崩壊（陽電子崩壊を含む）、電子捕獲、またはより特殊な手段、たとえば自発核分裂やクラスター崩壊によって崩壊します。

安定核種の大部分は、 Z、N、Aの数字がすべて偶数である偶数陽子-偶数中性子です。奇数Aの安定核種は、奇数陽子-偶数中性子核種と偶数陽子-奇数中性子核種に（ほぼ均等に）分けられます。奇数陽子-奇数中性子核種（および原子核）は最も一般的ではありません。

参照

参考文献

^ IUPAC (1997). 「核種」。AD McNaught、A. Wilkinson (編)。化学用語集。Blackwell Scientific Publications。doi : 10.1351 /goldbook.N04257。ISBN 978-0-632-01765-2。
^コーマン、トルーマン P. (1947)。「提案 された新語：核種」。アメリカ物理学ジャーナル。15 (4 ) : 356–7。Bibcode :1947AmJPh..15..356K。doi :10.1119/1.1990965 。
^ ベルコ、マーク（2010年5月1日）。「訃報：トルーマン・P・コーマン／星に目を向け続けた化学教授」ピッツバーグ・ポスト・ガゼット。2019年12月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月29日閲覧。
^ ab Sharma, BK (2001).核および放射線化学（第7版）. クリシュナ・プラカシャン・メディア. p. 78. ISBN 978-81-85842-63-9。
^ コーエン、ER;ジャコモ、P. (1987)。「物理学における記号、単位、命名法、および基本定数」。フィジカA. 146 (1): 1-68。Bibcode :1987PhyA..146....1.. CiteSeerX 10.1.1.1012.880。土井：10.1016/0378-4371(87)90216-0。
^ 「同位体の種類：放射性」SAHRA。2021年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年11月12日閲覧。
^ 表のデータはリストのメンバーを数えることによって得られます。リストデータ自体の参照は、以下の核種リストの参照セクションに記載されています。

外部リンク

ライブチャート - 国際原子力機関の核種表

[1] IUPAC (1997). 「核種」。AD McNaught、A. Wilkinson (編)。化学用語集。Blackwell Scientific Publications。doi : 10.1351 /goldbook.N04257。ISBN 978-0-632-01765-2。

[2] ^コーマン、トルーマン P. (1947)。「提案 された新語：核種」。アメリカ物理学ジャーナル。15 (4 ) : 356–7。Bibcode :1947AmJPh..15..356K。doi :10.1119/1.1990965 。

[3] ベルコ、マーク（2010年5月1日）。「訃報：トルーマン・P・コーマン／星に目を向け続けた化学教授」ピッツバーグ・ポスト・ガゼット。2019年12月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月29日閲覧。

[sharma-4] Sharma, BK (2001).核および放射線化学（第7版）. クリシュナ・プラカシャン・メディア. p. 78. ISBN 978-81-85842-63-9。

[5] コーエン、ER;ジャコモ、P. (1987)。「物理学における記号、単位、命名法、および基本定数」。フィジカA. 146 (1): 1-68。Bibcode :1987PhyA..146....1.. CiteSeerX 10.1.1.1012.880。土井：10.1016/0378-4371(87)90216-0。

[SAHRA-6] 「同位体の種類：放射性」SAHRA。2021年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年11月12日閲覧。

[7] 表のデータはリストのメンバーを数えることによって得られます。リストデータ自体の参照は、以下の核種リストの参照セクションに記載されています。

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