自然の豊かさ

地球の上部地殻における元素の相対的存在比

物理学において、天然存在比（NA）とは、惑星上で自然に存在する化学元素の同位体の豊富さを指します。これらの同位体の相対原子質量（モル分率存在比で重み付けされた加重平均）は、周期表におけるその元素の原子量です。同位体の豊富さは惑星ごとに、さらには地球上の場所ごとに異なりますが、時間軸（短期スケール）では比較的一定です。

例えば、ウランには天然に存在する3つの同位体、238 U、235 U、234 Uがあります。それぞれの天然モル分率存在比は、99.2739～99.2752%、0.7198～0.7202%、0.0050～0.0059%です。[1]例えば、10万個のウラン原子を分析すると、約99,274個の238 U原子、約720個の235 U原子、そしてごく少数（おそらく5～6個）の234 U原子が見つかることが予想されます。これは、各同位体の半減期が示すように、 238 U が235 U や234 Uよりもはるかに安定しているためです。238 Uの半減期は 44 億 6,800 万年であるのに対し、 235 U は70 億 3,800万年、 234 Uは 24 万 5,500 年です。

ウランの同位体によって半減期が異なるため、地球が若かった頃はウランの同位体組成も異なっていました。例えば、17億年前のウラン235のNAは3.1%でしたが、現在は0.7%です。そのため、今日ではあり得ない天然の核分裂炉が形成されました。

ただし、特定の同位体の自然存在比は、元素合成におけるその生成確率（サマリウムの場合、放射性の147 Smと148 Sm は安定した144 Smよりもはるかに豊富である）や、特定の同位体が天然放射性同位体の娘核として生成されること（鉛の放射性同位体の場合）によっても影響を受ける。

自然の豊かさからの逸脱

太陽と原始隕石の研究から、太陽系は当初同位体組成がほぼ均一であったことが分かっています。太陽の核燃焼が始まった頃に局所的に採取された（進化する）銀河平均からの偏差は、一般的に質量分別（質量非依存分別に関する記事を参照）と、限られた数の核崩壊および核変換プロセスによって説明できます。[2]また、太陽系原始星雲の崩壊を引き起こした可能性のある、近くの超新星爆発から短寿命（現在は消滅）の同位体が注入されたという証拠もあります。[3]そのため、地球上の自然存在比からの偏差は1パーセント（%）未満であるため、 千分率（パーミルまたは‰）で測定されることがよくあります。

例外として、原始隕石中に見られるプレソーラー粒子が挙げられます。これらの小さな粒子は、進化した（「死にゆく」）恒星のアウトフローの中で凝縮し、星間物質や太陽降着円盤（太陽系星雲または原始惑星系円盤とも呼ばれる）における混合・均質化の過程を逃れました。 [4] [要説明]恒星凝縮物（「スターダスト」）であるこれらの粒子は、その元素が生成された特定の元素合成過程の同位体特性を有しています。[5]これらの物質では、「自然存在比」からの偏差が100倍にもなることがあります。[要出典] [4]

いくつかの元素の天然同位体存在比

次の表は、いくつかの元素の地球上の同位体分布を示しています。リンやフッ素など、一部の元素は単一の同位体としてのみ存在し、天然存在比は100%です。

地球上のいくつかの元素の天然同位体存在比[6]
アイソトープ天然資源の豊富さの割合原子質量
1時間99.9851.007825
2時間0.0152.0140
12 ℃98.8912（以前の定義による）
13 ℃1.1113.00335
14北99.6414.00307
15北0.3615.00011
16 O99.7615.99491
17 O0.0416.99913
18歳0.217.99916
28シ92.2327.97693
29シ4.6728.97649
30シ3.1029.97376
32 S95.031.97207
33 S0.7632.97146
34 S4.2233.96786
35 Cl75.7734.96885
37 Cl24.2336.96590
79ベッドルーム50.6978.9183
81ベッドルーム49.3180.9163

参照

参考文献

  1. ^ 「ウラン同位体」GlobalSecurity.org . 2012年3月14日閲覧。
  2. ^ クレイトン、ロバート・N. (1978). 「初期太陽系における同位体異常」. Annual Review of Nuclear and Particle Science . 28 : 501– 522. Bibcode :1978ARNPS..28..501C. doi :10.1146/annurev.ns.28.120178.002441.
  3. ^ Zinner, Ernst (2003). 「初期太陽系の同位体的観察」 . Science . 300 (5617): 265– 267. doi :10.1126/science.1080300. PMID  12690180. S2CID  118638578.
  4. ^ ab アンダース, エドワード; ジンナー, エルンスト (1993). 「原始隕石中の星間粒子：ダイヤモンド、炭化ケイ素、グラファイト」 .隕石学. 28 (4): 490– 514. Bibcode :1993Metic..28..490A. doi :10.1111/j.1945-5100.1993.tb00274.x.
  5. ^ Zinner, Ernst (1998). 「恒星核合成と原始隕石由来のプレソーラー粒子の同位体組成」Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 26 : 147–188 . Bibcode :1998AREPS..26..147Z. doi :10.1146/annurev.earth.26.1.147.
  6. ^ Lide, DR編 (2002). CRC Handbook of Chemistry and Physics (第83版). フロリダ州ボカラトン: CRC Press. ISBN 0-8493-0483-0。
  • バークレー同位体プロジェクトインタラクティブテーブル（2015年アーカイブ）
  • 元素の精密質量と同位体存在比、科学機器サービス
  • 低精度および高精度の同位体分布を計算するツール（2011年アーカイブ）
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