安定同位体

あんていどういたい

安定同位体

あんていどういたい

　元素の化学的および物理的な特性を表す代表的な数値が、原子番号と原子量です。
原子番号は原子核を構成する陽子（プラス電荷をもつ）の数を表しており、これは原子核を取り巻く電子（核外電子：マイナス電荷をもつ）の数でもあります。元素の化学的性質は核外電子の数と配列によって決まるので、元素の化学的性質は原子番号によって象徴されていると言えます。
　原子量は元素の質量を表す数値ですが、核外電子の質量は極めて小さいので無視され、１個の原子の質量は原子核を構成する陽子と中性子（電荷0）の質量の和で与えられます。陽子と中性子の質量はほとんど同じなので、両者の数の和が重要な意味をもち、これを質量数と言います。

　ここでは、炭素（元素記号C）を例として、質量数と原子量を見てみます。炭素の原子番号は6、すなわち原子核の陽子数は6個ですが、中性子数は6個・7個・8個のものがあります。したがって、質量数は12・13・14の3種類があり、それぞれを¹²C・¹³C・¹⁴Cと表記します。このように原子番号が同じで、質量数が異なるものを同位体と総称します（別名：同位元素、アイソトープ）。このうち、放射性のものを放射性同位体と言い（炭素では¹⁴C：炭素14）、そうでないもの（¹²Cと¹³C）を安定同位体と言います。
自然界の炭素原子の存在度〔原子の個数の百分率（%）〕は、¹²Cが98.93%、¹³Cが1.07%なので、炭素の原子量は、2つの同位体の加重平均値12.0107として表されます。なお、¹⁴Cの量は非常に少ないので、原子量としては無視されるのが普通です。

【水素と酸素の安定同位体】
　水は水素と酸素の化合物ですが、それぞれの元素は同位体の集合です。
　まず、水素の原子番号は１ですが（原子核の陽子が１個）、中性子がついていないもの（質量数１）、中性子が１個ついているもの（質量数２）、2個ついているもの（質量数３）と、水素には3種の同位体があります。
　質量数３のものは「三重水素またはトリチウム（³H またはTと表記）」と呼ばれ、放射性同位体です。
　質量数２のものは「重水素またはデューテリウム（²HまたはDと表記）」と呼ばれ、安定同位体です。
　質量数１のものが普通の水素（¹HまたはHと表記）で、安定同位体です。「軽水素」と呼ばれることもあります。表1に自然界での存在度を示しますが、ほとんどが軽水素です。

表1．水素の安定同位体

　表２に、酸素（原子番号８）の代表的な安定同位体と存在度を示します。酸素のほとんどは質量数16の軽いもの（¹⁶O）で、次いで質量数18の重いもの（¹⁸O）です。
　したがって、両元素の化合物である水にも軽い水や重い水がありますが、ほとんどの水は「¹H」と「¹⁶O」の化合物「¹H₂¹⁶O」で、このことをはっきりさせたいときには、「軽水」と呼びます。他方、質量数の大きい同位体を含む水は「重水」と呼ばれます。

表2．酸素の安定同位体

　天然の水は、「圧倒的に多量な軽水」と「極微量の重水」の混合物ですが、混合の割合から水の起源を推定することができます。具体的には、水素と酸素それぞれの安定同位体組成を測定して判定します。ただし、同位体の化学的性質は同じなので、化学反応を利用した分析法は使えず、質量の違いを利用した質量分析計を用いて分別します。
　これによって、温泉水のほとんどは天水（降水）起源であることが明らかになりました。別府温泉の水も天水起源として説明できます。他方、九重硫黄山の水蒸気には、マグマ由来の水（安山岩水）が含まれています。

　各元素の安定同位体組成は、自然界の様々な現象や構造の研究に広く用いられています。たとえば、「氷床の氷」・「樹木」・「化石」・「鍾乳石」などの水素・酸素・炭素の安定同位体組成から、過去の気温（ひいては気候）の推定が行われています。
　自然科学に関するデータ集「理科年表」には、最新のデータに基づいた安定同位体の詳細なリストが収録されています。

（由佐悠紀）

安定同位体比の測定法

あんていどういたいひのそくていほう

　水素を例にとって説明します。水素の安定同位体には質量数1のもの（原子核が陽子1個：軽水素，Hと表示）と質量数2のもの（原子核が陽子1個と中性子1個：重水素，Dと表示）の2種がありますが、圧倒的に多量なHの原子の量（数）に対するDの量（数）の割合を「安定同位体比」または「同位体比」と言います。以下では、簡単のため同位体比を用いることにします。
　ある物質中の水素の同位体比を知るには、HとDの量を測定しなければなりません。ところが、原子番号は両者とも1、すなわち化学的な性質は同じなので、化学反応を用いた測定法（化学分析）は適用できません。
　たよりになるのは、質量の違いです。ニュートンが確立した運動の第2法則は、たとえば、「物体に生じる速度の変化（加速度）は、かかった力に比例し、物体の質量に反比例する」と表現されます。
　したがって、なんらかの方法で各水素原子に同じ力をかけてやれば、HとDに生じる加速度の大きさは異なるので（1：1/2）、両者を分離することができます。これが同位体比測定の原理で、その装置は「質量分析計」と呼ばれます。 実際の分析では水素分子が用いられるので、生じる加速度の比は上のとおりではありません。力をかける方法も含めて、具体的な内容は質量分析計の項で説明します。

（由佐悠紀）

安定同位体比の表記法

あんていどういたいひのひょうきほう

　「安定同位体比」は「同位体比」とも言います。以下では、同位体比を用いることにします。水素では、軽水素をH、重水素をDと表すものとします。酸素では、質量数16の酸素を¹⁶O、質量数18の酸素を¹⁸Oとします。自然界における、それぞれの元素の同位体比（原子の数の比）をD/Hおよび¹⁸O/¹⁶Oと表します。両者は、安定同位体の項の表1および表2の存在度から計算できますが、いずれも小さな値です。
　さまざまな水の同位体比はそれらとは若干異なり、そうした違いから水の起源などを調べることができます。しかし、その違いはさらに小さいので、同位体比をそのまま比べるより、標準となる水の同位体比との差を比べる方が実用的で有効です。そこで、次のような表記法が考案されました。

　水素：δD =〔(D/H)_A /(D/H)_SMOW －1〕×1000
　酸素：δ¹⁸O =〔(18O/16O)_A /(¹⁸O/¹⁶O)_SMOW －1〕×1000

　試料Aの同位体比がSMOWの同位体比と同じなら、δ値は0となります。δ値が＋5‰は試料Aの同位体比がSMOWより5/1000大きいことを意味し、－15‰は試料Aの同位体比が15/1000小さいこと意味します。
　このようにSMOWとの差で表記すれば、別々の分析者や分析計によって得られた結果を、互に容易に参照し合うことができます。

（由佐悠紀）