I.

プロローグ

同位元素、あるいはアイソトープともいう。原子番号が同じでも、質量数がことなる核種どうしのことを、たがいに同位体であるという。原子番号とは原子核中の陽子の数のことで、質量数は原子核中の陽子と中性子の数の和であるから、同位体どうしは原子核中の中性子の数だけがちがう。同位体どうしは化学的性質がひじょうによく似ている。→ 原子

II.

放射性同位体と安定同位体

同位体は2種類ある。たとえば、ふつうの水素(¹H)の場合は陽子1個からなる原子核と電子1個でなりたっているが、同位体である重水素(ジュウテリウム)は原子核に陽子と中性子を1個ずつもつため²Hとあらわし、三重水素(トリチウム)は原子核に陽子1個と中性子2個をもち、³Hであらわされる。しかし、重水素が非放射性であるのに対してトリチウムは不安定で、放射線の一種であるベータ線(β線)を放射して、³He(ヘリウム3)へとかわってしまう。これは放射性崩壊(放射性壊変とも)のうち、β^-崩壊とよばれるもので、ベータ粒子(実態は電子)の放出により1個の中性子が陽子にかわるが、質量数の変化はない。

このように、不安定で放射能をもち、放射性崩壊するものを放射性同位体、安定で崩壊しないものを安定同位体あるいは非放射性同位体という。ちなみに、放射線を放出する能力を放射能といい、放射性物質の量が半分になるまでの時間を半減期という。

III.

原子量

元素の化学的原子量は、同位体の原子量とその存在比からもとめられる。たとえば、塩素(Cl)の原子量35.453は、存在比75.76%の³⁵Cl(質量34.969)と存在比24.24%の³⁷Cl(質量36.966)の混合物として計算される。

IV.

同位体探索の歴史

1906年にアメリカの物理学者バートナム・ボルトウッドは、当時イオニウムとよばれていた放射性元素がトリウム(Th)の放射性同位体²³⁰Th(トリウム230)であることを発見した。12年には、イギリスの物理学者トムソンがネオン(Ne)に、質量数20の²⁰Neと質量数22の²²Neの2つの安定同位体があることを、電磁場を利用した実験でしめした。さらにその後、自然界には²¹Neという同位体も存在していることがわかった。

同位体に関する研究は、イギリスの物理学者アストンなど、多くの科学者によってひきつがれ、質量分析器などの発展にともない、同位体の検出や研究がさらに促進された。現在では、ベリリウム(Be)、アルミニウム(Al)、リン(P)、ナトリウム(Na)、フッ素(F)などをのぞく、ほとんどすべての元素が2つ以上の同位体混合物として自然界に存在していることが知られている。

周期表で原子番号83のビスマス(Bi)以降の元素の同位体はすべて放射性同位体である。ただし、原子番号6の炭素(C)の¹⁴C(半減期：5.730×10³年)や、原子番号19のカリウム(K)の⁴⁰K(半減期：1.277×10⁹年)のように原子番号がビスマスより小さな元素でも放射性同位体があるものも存在する。現在、1900種類以上の核種が知られているが、自然界では安定同位体が約280種存在する。

人工の放射性同位体は、1934年にフランスの物理学者ジョリオ・キュリー夫妻によって、はじめてつくられた。人工の放射性同位体は、中性子や電子、陽子、アルファ粒子(a粒子)や重イオンなどを、加速器をもちいて標的となる原子に衝突させてつくられる。

V.

同位体の分離

元素中から同位体を分離するための物理的分離法は、同位体の質量の違いによる物理的性質のきわめてわずかな差を利用する。一方、化学的分離法は、質量の関数である化学結合(→ 化学反応)のエネルギーにもとづく化学的電気分解速度や化学平衡に達する速度の違いを利用している。しかしながら、同位体どうしを分離するのはむずかしく、とくに、同じ元素の同位体は、化学的性質がきわめてよく似ているので、化学的に1段階だけで分離することは不可能といえる。

1932年、アメリカの化学者ユーリーによって水素の安定同位体である重水素(²H)が重水(酸化ジュウテリウムD₂O)から分離、発見された。これが多量の同位体が分離されたはじめての例である。

1940年以前は、おもに研究目的で、少量の同位体を分離するため、いろいろな方法がためされた。そのうちうまくいった化学的分離方法は、分別蒸留法、化学交換法、電解分解法で、物理的分離方法としては気体拡散法、質量分析器による電磁的分離法などである。これらの方法はどれも同位体の質量の違いを利用して分離するため、質量が水素(¹H)の2倍の重水素(²H)を分離する場合にもっとも効率がよい。それにくらべ、¹²Cと¹³Cや、²⁰Neと²²Neの場合は質量の違いは約10%であり、²³⁵U(ウラン235)と²³⁸Uの場合にはたった1%ほどの違いしかない。この違いが少なくなるにしたがい、分離はむずかしくなる。

第2次世界大戦中のアメリカでは原子爆弾の開発とともに、大量の放射性同位体をえる必要から、急速に同位体を分離する技術がすすんだ。1940年には、中性子を²³⁵Uに照射すると核分裂反応をおこすが²³⁸Uにはこのような性質がないことがしめされ、²³⁵Uと²³⁸Uの分離という難題が生じた。ウラン鉱石のウラン含有率は低く、しかも²³⁵Uは²³⁸Uの0.7%程度しかふくまれていない。そのため最初はひじょうに多量の鉱石をとりあつかわねばならなかった。そして、マンハッタン計画の援助のもとに、いろいろな同位体分離法が考案されたが、原子爆弾製造に必要な²³⁵Uを1日に約1kg大量分離して生産するために、気体拡散法と電磁分離法がつかわれた。→核兵器の「核開発の歴史」

1.

気体拡散法

気体拡散法は、分子量のことなる気体は拡散速度がちがうという性質を利用したものである(→ 拡散)。気体の拡散速度は質量の平方根に反比例する。そのため、軽い分子は多数の細孔をもつ隔膜を重い分子よりはやく通過する。ウラン同位体の分離には、常温で気体である唯一のウラン化合物、六フッ化ウラン(UF₆)がつかわれた。多孔質の隔膜を通過させるためにUF₆を連続的にポンプでおくりこむ。²³⁵Uと²³⁸U自体の質量の差は1%強あるが、UF₆になるとその差は1%弱となる。理論的な分離係数は、ある瞬間については0.43%、連続した一過程では0.30%となるが、一段階の実際の分離係数は0.14%である。天然のウランから99%の²³⁵Uをうるには、この段階を4000回おこなうが、そのためには膨大な長さのパイプと膨大な数のポンプとモーター、そしてそれらを制御する複雑なメカニズムが必要となる。

2.

電磁分離法

気体拡散法によって大量の²³⁵Uをうることができるようになったが、多量の²³⁵Uの生産にはじめて成功したのはテネシー州オークリッジでおこなわれた電磁分離法によってである。イオン化されたウラン化合物のイオンビームが電磁場を通過するときに、イオンの重さによってまがる程度がちがうことを利用する方法で、イオンビームが電磁場を通過できるよう工夫された分離器が多数建設され、かなりの量の²³⁵Uが分離された。しかし、1回の操作であつかえる量が少なく、生産量に限界があることから、第2次世界大戦後は大量の同位体分離法としては気体拡散法がもちいられている。

3.

レーザー励起法

1960年にレーザーが発明され、その後すぐにレーザー光を利用した同位体の分離・濃縮法の原理がしめされた。それから6年後、赤外線から紫外線の間のきわめて狭い波長領域の光を選択的に放射することができる、波長可変色素レーザーの登場によって、この方法が実現可能となった。つまり、同位体核種の吸収準位にレーザー光を正確に同調し、必要な原子だけをレーザー光で選択的に励起し、次にその原子をイオン化し、分離する。必要な同位体をふくむ分子に対しても、この方法は応用できる。

1972年以来、この方法は原子力発電と核兵器への利用をめざして、おもにウランとプルトニウムの濃縮法として開発されてきた。