カルシウムの同位体

カルシウムの同位体(カルシウムのどういたい)には、4種類の安定同位体（⁴⁰Ca、 ⁴²Ca、⁴³Ca、⁴⁴Ca）の他に、2種類の長寿命の放射性同位体（⁴⁶Ca、⁴⁸Ca）が、現在の地球上に天然に存在するカルシウムの同位体である。ただし、この他に⁴¹Caは、⁴⁰Caが宇宙線由来の中性子を捕獲することで逐次生成されている、微量放射性同位体として極々微量ながら天然に存在する。なお、人工的に作られたカルシウムの同位体は、他に何種も知られている。

概説

カルシウムの同位体は、⁴⁰Ca（96.94％）、⁴²Ca（0.647％）、⁴³Ca（0.135％）、⁴⁴Ca（2.086％）、⁴⁶Ca（0.004％）、⁴⁸Ca（0.187％）の割合で、現在の地球上に天然に存在している。（ただし、この割合には異なる推定値もある。）カルシウムは原子番号20番と、全ての元素の中で比較的軽い（小さい）元素である。もっと原子番号の大きい元素には、このように何種もの同位体が天然に存在していることもしばしばある（例えば、スズやキセノンなどは、天然に存在する同位体の種類が多いことで知られている）のだが、カルシウムのような軽い元素に4種の安定同位体、2種の長寿命の放射性同位体が存在するというのは特筆に価する。このようなことになっているのは、カルシウムの陽子の数が20という魔法数であるから、安定な同位体が多いのだと一般に説明されている。また、28も魔法数として知られているが、⁴⁸Caは中性子の数も魔法数であるから寿命が長いのだと一般に説明されている。

⁴⁰Ca

現在の地球上に天然に存在するカルシウムの約97％は、⁴⁰Caである。したがって、標準原子量は40.078(4) uと、⁴⁰Caの質量に近い。カルシウムの地球上での一番軽い安定同位体は、⁴⁰Caである。この原子核は、陽子20個、中性子20個からなる。このように原子核を構成する陽子と中性子の数が同数で、地球上で安定して存在できる原子核としては、²H、⁴He、⁶Li、¹⁰B、¹²C、¹⁴N、¹⁶O、²⁰Ne、²⁴Mg、²⁸Si、³²S、³⁶Ar、⁴⁰Caが知られている。これらの中で最も重いのが、この⁴⁰Caである。地球上で安定して存在できる原子核は、⁴⁰Caよりも重い原子核の場合、必ず陽子の数よりも中性子の数の方が多い。このようなことになっているのは、⁴⁰Caの陽子と中性子とが共に20という魔法数であるからだと一般に説明されている。なお、このように陽子と中性子の両方が魔法数となっている状態を、二重魔法数になっていると言う。⁴⁰Caのような二重魔法数となっている核種は、非常に安定であるとされている。

⁴⁰Caは⁴⁰Arと共に、⁴⁰Kの崩壊により生成する核種の1つである。地質学の分野で用いられる放射年代測定の手法の1つとして、カリウム・アルゴン年代測定法がよく用いられる。これに対して、⁴⁰Caについては、元々天然に⁴⁰Caが多く存在するために、放射年代測定に⁴⁰Caを用いることは困難である。カリウム・カルシウム年代測定法には質量分析等が用いられる。

⁴¹Ca

⁴¹Caは、宇宙線によって天然に逐次生成される同位体で、半減期10万3000年で⁴¹Kに崩壊する。主に宇宙や大気の上層部で起こる宇宙線による核破砕によって生成される核種とは異なり、⁴¹Caは、⁴⁰Caの中性子放射化により生成する。このため、地球上での主な生成場所は、標高の高い場所か、宇宙線由来の中性子が十分届く程度の土中である。なお、⁴¹Kの隕石中の存在は、太陽系形成時の⁴¹Caの存在を意味しており、太陽系形成時、またはその直前に⁴¹Caの合成場が存在したことを示唆している^[1]。

⁴⁶Caと⁴⁸Ca

⁴⁶Caと⁴⁸Caは、その半減期が長いため、現在の地球でも存在している放射性同位体である。このうち⁴⁸Caは、陽子が20しかないのにもかかわらず中性子過剰数が8もあるが、その割に半減期は長く、約430京年と極端に安定している。また、⁴⁶Caと⁴⁸Caとでは、圧倒的に⁴⁸Caの方が多く存在している。このことは、⁴⁶Caが陽子20個に中性子26個と魔法数を1つしか持っていないのに対して、⁴⁸Caは陽子20個に中性子28個と魔法数を2つ、つまり二重魔法数となっているからであると一般に説明されている。

一覧

脚注

参考文献

• 三木 順哉; 瀧川 晶; 橘 省吾; Gary R. Huss, 「短寿命放射性核種存在度と超新星元素合成モデルから推定する太陽系形成環境」, 日本惑星科学会誌, Vol.16, No.2, 2007.

• Isotope masses from Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).
• Isotopic compositions and standard atomic masses from Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683-800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005).
• Half-life, spin, and isomer data selected from these sources. Editing notes on this article's talk page.
  • Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
  • National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database (retrieved Sept. 2005).
  • David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, online version. CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.

外部リンク

• Calcium isotopes data from The Berkeley Laboratory Isotopes Project's

表 話 編 歴  同位体
1H																	2He	安定 1億年〜 1万年〜 10年〜 100日〜 1日〜 1分〜 1分未満 魔法数
3Li	4Be											5B	6C	7N	8O	9F	10Ne
11Na	12Mg											13Al	14Si	15P	16S	17Cl	18Ar
19K	20Ca	21Sc	22Ti	23V	24Cr	25Mn	26Fe	27Co	28Ni	29Cu	30Zn	31Ga	32Ge	33As	34Se	35Br	36Kr
37Rb	38Sr	39Y	40Zr	41Nb	42Mo	43Tc	44Ru	45Rh	46Pd	47Ag	48Cd	49In	50Sn	51Sb	52Te	53I	54Xe
55Cs	56Ba	*1	72Hf	73Ta	74W	75Re	76Os	77Ir	78Pt	79Au	80Hg	81Tl	82Pb	83Bi	84Po	85At	86Rn
87Fr	88Ra	*2	104Rf	105Db	106Sg	107Bh	108Hs	109Mt	110Ds	111Rg	112Cn	113Nh	114Fl	115Mc	116Lv	117Ts	118Og
		*1	57La	58Ce	59Pr	60Nd	61Pm	62Sm	63Eu	64Gd	65Tb	66Dy	67Ho	68Er	69Tm	70Yb	71Lu
		*2	89Ac	90Th	91Pa	92U	93Np	94Pu	95Am	96Cm	97Bk	98Cf	99Es	100Fm	101Md	102No	103Lr
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