単核種元素

単核種元素︵たんかくしゅげんそ、英: Mononuclidic element︶とは、天然に存在する核種がただ一つである元素のことである。似た概念にモノアイソトピック元素があるが、この二つは明確に異なる︵後述︶。

概要

ある元素の安定核種あるいは半減期が長い放射性核種がただ一つだけあり、それ以外の核種がすべて半減期の短い放射性核種であると、超新星爆発で重い元素が作られたのち太陽系が誕生してから数十億年の間に半減期の短い核種はすべて崩壊してしまい、自然界には安定核種あるいは長寿命放射性核種ただ一つのみが残り、単核種元素になる。

プロトアクチニウムは例外的に最も長寿命の核種²³¹Paでも半減期3.3×10⁴年と半減期が短いが、それ以外の同位体の半減期が最長のものでも27日と非常に短いことと、²³¹Paが²³⁵Uのアルファ崩壊によって供給され続けるために、単核種元素になっている。

単核種元素は天然存在比が常に100%と一定であるため、組成比のゆらぎによって原子量の値に誤差が出ることがなく、原子量を高精度に求めることができる。

不安定核種による汚染

単核種元素であっても、核実験や原子力事故などによって発生した放射性降下物による汚染により、本来ただ一つの核種であるはずの元素に放射性核種が混入することがある。この内、寿命が人間の生活時間スケールと比較しても短いものはすぐ崩壊してなくなってしまうが、半減期約1570万年の¹²⁹Iや半減期約30年の¹³⁷Csなどは長時間残存し、本来単核種元素であるヨウ素やセシウムの存在比を乱す。

これの顕著な例がプルトニウムである。自然界には²⁴⁴Puが元々痕跡量存在し、単核種と言って良いレベルであったと考えられているが、原子爆弾や核実験の放射性降下物として²³⁹Puが大量に自然界にばらまかれた結果、²³⁹Puのほうが²⁴⁴Puよりも遥かに多く存在するようになってしまった。そのため現在プルトニウムは単核種元素とはされていない。

一覧

元素の種類	核種	陽子数	中性子数	同位体質量 (u)	備考
ベリリウム	9Be	4	5	9.012 182(3)
フッ素	19F	9	10	18.998 403 2(5)
ナトリウム	23Na	11	12	22.989 770(2)
アルミニウム	27Al	13	14	26.981 538(2)
リン	31P	15	16	30.973 761(2)
スカンジウム	45Sc	21	24	44.955 910(8)
マンガン	55Mn	25	30	54.938 049(9)
コバルト	59Co	27	32	58.933 200(9)
ヒ素	75As	33	42	74.921 60(2)
イットリウム	89Y	39	50	88.905 85(2)
ニオブ	93Nb	41	52	92.906 38(2)
ロジウム	103Rh	45	58	102.905 50(2)
ヨウ素	127I	53	74	126.904 47(3)
セシウム	133Cs	55	78	132.905 45(2)
プラセオジム	141Pr	59	82	140.907 65(2)
テルビウム	159Tb	65	94	158.925 34(2)
ホルミウム	165Ho	67	98	164.930 32(2)
ツリウム	169Tm	69	100	168.934 21(2)
金	197Au	79	118	196.966 55(2)
ビスマス	209Bi	83	126	208.980 38(2)
トリウム	232Th	90	142	232.038 1(1)
プロトアクチニウム	231Pa	91	140	231.035 88(2)

モノアイソトピック元素

単核種元素に似た概念にモノアイソトピック元素というものがある。これは、天然に存在する安定核種がただ一つである元素のことである。つまり放射性元素であるビスマス、トリウム、プロトアクチニウムはモノアイソトピック元素には含まれない。逆に、天然に存在する核種が複数であっても、そのうち安定核種がただ一つであればモノアイソトピック元素である。モノアイソトピック元素であるが単核種元素でない元素の中のうち、インジウムとレニウムは安定核種よりも長寿命放射性核種のほうが天然存在比が大きい。

モノアイソトピック元素であるが単核種元素でない元素

元素の種類	安定核種	備考
バナジウム	51V	半減期1.4(4)E+17年の50Vが0.25%存在する
ルビジウム	85Rb	半減期4.923(22)E+10年の87Rbが27.835%存在する
インジウム	113In	半減期4.41(25)E+14年の115Inが95.7%存在する
ランタン	139La	半減期1.02(1)E+11年の138Laが0.09%存在する
ユウロピウム	153Eu	半減期5E+18年の151Euが47.8%存在する
ルテチウム	175Lu	半減期3.85(7)E+10年の176Luが2.59%存在する
レニウム	185Re	半減期4.12(2)E+10年の187Reが62.6%存在する

脚注

(一)^ ここで言う﹁短い﹂とは、超新星爆発および太陽系が誕生してからの時間と比較して十分短いという意味である。そのため半減期数十万年や数百万年程度でも十分短い部類に入る。

(二)^ 半減期1.9(2)E+19年の放射性元素。

(三)^ 半減期1.405(6)E+10年の放射性元素。

(四)^ 半減期3.276(11)E+4年の放射性元素。但し²³⁵Uのアルファ崩壊によって恒常的に供給され続けている。

(五)^ Data from Atomic Weights and Isotopic Compositions ed. J. S. Coursey, D. J. Schwab and R. A. Dragoset, National Institute of Standards and Technology (2005)