原子ってなんだろう？原子の構造はどうなってるんだろう？ 高校の化学の教科書のはじめにはだいたいこんなトピックスがありますよね。そして同位体とは何かについての記述も必ずあります。 でも我々人類が元素に同位体が存在する事に気づいて実はまだたった100年しか経ってないことはご存知でしたか？
今回は同位体100周年を記念しまして、ストックホルム大学のBrett F. Thornton博士とWorcester Polytechnic InstituteのShawn C. Burdette博士によるNature Chemistryのthesisをご紹介しましょう。前回はこちら
The straight dope on isotopes Thornton, B. F. and Burdette, S. C. Nature Chem. 5, 979-981 (2013). Doi: 10.1038/nchem.1810
ラザフォードがノーベル化学賞を受賞したのは1908年の12月のことでした。その頃からある元素が放射性もつことは知られていたわけです。そのような物質はradio-elementと呼ばれていましたが、ウランやトリウムをメンデレーエフの周期表でどのように扱えばいいのかは化学者の悩みの種でした。周期表はもはや役に立たないと考えた学者もいたようです。 ラザフォードはノーベル化学賞受賞の後間も無くスウェーデンのウプサラ大学でDaniel StromholmとTheodor Svedbergという二人の化学者に出会います。彼らは当時ラジウム、トリウムX、アクチニウムXとして知られていた三つのradio-elementは全て同じものであり、周期表で同一のグループに入れるべきであることを結晶の解析によって明らかにしました。現在ではその三つはそれぞれ226Ra, 224Ra, 223Raであることがわかっています。
しかし、ラザフォードはそれを認めようとしなかったそうです。彼らは論文として発表しましたが、あまり注目されなかったようです[1]。 このような状態が一変するのは1913年の5月にJ. J. Thomsonが重さの異なる(20と22)二種類のネオンについて報告してからです[2]。そしてFrederick SoddyはNature誌1913年12月4日号にに同位体の概念についての提案を発表しました[3]。ここで同位体は”化学的に同一で核電荷のことなる原子”と仮定されています。isotopeはギリシャ語で同じ場所を意味しており、この用語はある晩餐会でSoddyに提案されたとされます。9年後にSoddyは1921年に放射性物質の化学に関する研究でノーベル賞を獲ることになりますが、受賞スピーチで二人のスウェーデン化学者の貢献について述懐しています。
“同位体”の祖 写真は文献より引用
Soddyは同位体がなぜ化学的に同じ振る舞いをするのかについて、外側は同一であるが、内側が異なるからと述べています。現在では自明となっていますが、原子の化学的性質は外側の電子が主に関係しており、内側の原子核にある陽子、中性子はあまり関係ないことを示したのです。それでも様々な議論はあったようですが、Georg HevesyとFriedrich Panethは鉛の同位体が電気化学的実験において全く同じ振る舞いをすることを示しました。
核図表の前で佇むGlenn Seaborg 写真は文献より引用
現在では3000あまりの同位体が知られており、あと3-4千はあるのではないかと言われています。理研のこちらのページではそれらの同位体を図にしたもの、核図表のポスターをダウンロードすることができます。また、IAEAのページではインタラクティブな核図表があります。
先日のサイエンスアゴラにおける日本原子力研究開発機構が出展していたブロックで作る核図表
教科書には同位体間に化学的な差はないと書かれていますが、果たしてそうでしょうか？1932年にUreyは重水素を発見し、1Hとは化学的性質が異なることを見出しています。さすがに質量数が倍ですからね。違いはあっても不思議ではありません。これは特殊なケースということで目をつぶりましょうか。 では化学者にとって同位体とはどんな関わりがあるでしょうか。まずは同位体間の化学的差異を見つけるというのもいいでしょう。もっと身近には同位体が化学的にほとんど変わらないことを利用した実験というのが考えられます。速度論的同位体効果は化学反応を理解するためにはなくてはならないものになっています。また、化学のみならず同位体は地球や火星の歴史までも紐解いてくれたりもします。 100年近く化学者は同位体についてあまり考えてこなかったようにも思えます。周期表を見れば原子量が載っていますが、これは地球上の同位体比が反映されたもので、決して定数ではありません。新しい、より精度の高い測定法が開発される度、ちょくちょく原子量は変わっています。より精度を上げることで何か見えてくるものもあることでしょう。 では現代の化学者にとって同位体とはなんでしょう？次の100年においてどんな位置づけになるでしょうか？化学的に興味深い、活発な研究領域、あるいは不可欠なツールとなるでしょうか？ 答えはあなたがどんな化学者なのかにかかっているのかもしれません。 ちなみにタイトル図は米国マイナーリーグのthe Albuquerque Isotopesのロゴに核図表をマージさせて作成しました。アルバカーキと言えばロスアラモス研究所なども近いですので面白い命名ですね。こちらに命名の経緯があります。
