同位体

化学的・分子的性質編

中性原子は陽子と同じ数の電子を持っています。 したがって、同じ元素の異なる同位体はすべて同じ数の電子を持ち、同様の電子構造を共有しています。

主な例外として、運動性同位体効果があります。重い同位体は質量が大きいため、同じ元素でも軽い同位体よりも反応が遅くなる傾向があります。 これはプロチウム（1
H
）、重水素（2
H
）、トリチウム（3
H
）の場合に顕著で、重水素はプロチウムの2倍、トリチウムはプロチウムの3倍の質量があるからである。 これらの質量差は、原子系の重心（還元質量）を変化させることで、それぞれの化学結合の挙動にも影響を与える。 しかし、重元素の場合、同位体間の相対的な質量差は非常に小さいため、質量差による化学反応への影響は通常無視できる程度である。 また、重元素は軽元素に比べて相対的に中性子数が多いため、核質量と電子集合質量の比が若干大きくなる）。

アイソトープの半減期。 Z = 陽子の数。 N = 中性子の数。 安定同位体のプロットは、元素番号Zが大きくなるにつれ、直線Z=Nから発散する

同様に、原子の同位体だけが異なる2つの分子（同位体）は、同一の電子構造を持つため、物理的・化学的特性はほとんど区別できません（やはり重水素とトリチウムは主な例外です）。 分子の振動モードは、その形状と構成する原子の質量によって決まるため、同位体によって振動モードが異なる。

核の性質と安定性

原子核は陽子と中性子が残留強力な力で結合しています。 陽子は正の電荷を帯びているため、お互いに反発し合います。 中性子は電気的に中性であるため、2つの方法で原子核を安定させます。 中性子が存在すると、陽子が少し離れて陽子間の静電的な反発が弱まり、お互いに、そして陽子に魅力的な核力を発揮する。 このため、2個以上の陽子が原子核に結合するためには、1個以上の中性子が必要となる。 陽子の数が増えれば増えるほど、安定した原子核を確保するために必要な中性子と陽子の割合も増えていく（右のグラフ参照）。 例えば、3
2He
の中性子と陽子の比は1:2だが、238
92U
の中性子と陽子の比は3:2よりも大きい。 軽元素の中には、1:1(Z=N)で安定した核種を持つものが多くあります。 40
20Ca
（カルシウム-40）という核種は、中性子と陽子の数が同じで、観測上最も重い安定核種である。

元素ごとの同位体の数Edit

安定同位体を持つ80元素のうち、観測された安定同位体の数が最も多い元素は10個（スズ）です。 9個または8個の安定同位体を持つ元素はありません。 7個の安定同位体を持つ元素が5個、6個の安定同位体を持つ元素が8個、5個の安定同位体を持つ元素が10個、4個の安定同位体を持つ元素が9個、3個の安定同位体を持つ元素が5個、2個の安定同位体を持つ元素が16個（180m
73Ta
を安定同位体としてカウント）、そして26個の元素は1個の安定同位体しか持たない（このうち19個はいわゆるモノヌクリッド元素で、支配的な1個の原始安定同位体を持ち、天然元素の原子量を高精度に固定する）。 3種類の放射性モノヌクリッド元素も存在する）。) 崩壊が観測されていない核種は、全部で252種類あります。 1つ以上の安定同位体を持つ80の元素については、1元素あたり252/80 = 3.15個の安定同位体が存在することになります。

偶数と奇数の原子核数Edit

陽子と中性子の比率だけではありません。中性子比は核の安定性に影響する唯一の要因ではありません。 原子番号Z、中性子番号N、そしてそれらの合計である質量数Aの偶数性、奇数性にも左右されます。 中性子や陽子の数が最適でない不安定な同位体は、ベータ崩壊（陽電子放出を含む）や電子捕獲、あるいは自発核分裂やクラスター崩壊などのあまり一般的ではない崩壊様式によって崩壊するのです。

安定核種の大半は、Z、N、Aがすべて偶数の偶数陽子-偶数中性子で、奇数-Aの安定核種は、奇数陽子-偶数中性子と偶数陽子-奇数中性子にほぼ均等に分けられます。

偶数の原子番号

146個の偶数陽子、偶数中性子(EE)核種は、全安定核種の約58%を占め、すべてペアリングによりスピンが0になっています。 また、原始的な長寿命の偶偶核種が24個あります。 その結果、2番から82番までの41種類の偶数番目の元素には、それぞれ少なくとも1つの安定同位体が存在し、これらの元素のほとんどは、複数の始原的な同位体を持っていることになる。 偶数番目の元素の半数は6つ以上の安定同位体を持っている。 ヘリウム4は2個の陽子と2個の中性子の二重対によって極めて安定しているため、5個（5
2He
、5
3Li
）または8個（8
4Be
）の核子を持つ核種は、星の中で核融合によってより重い元素を作るためのプラットフォームとして十分な期間、存在することができない（トリプルアルファプロセス参照）。

53安定核種は、陽子が偶数個、中性子が奇数個である。 これらは、約3倍の数がある偶数-偶数同位体に比べると少数派です。 安定した核種を持つ41種類の偶数-Z元素のうち、偶数-odd安定核種を持たないのは2種類の元素（アルゴンとセリウム）だけである。 偶数安定核種を持たない元素はアルゴンとセリウムの2つだけで、3つ持つ元素はスズの1つだけである。 偶数安定核種を1つ持つ元素は24種類、奇数安定核種を2つ持つ元素は13種類である。 35種類の原始放射性核種のうち、偶数の核種は、核分裂性の235
92U
を含めて4種類ある（右表参照）。 偶奇核種は中性子数が奇数であるため、中性子とのペアリング効果によりエネルギーが得られ、中性子捕獲断面積が大きくなる傾向がある。 これらの安定した偶陽子奇中性子核種は、自然界にはあまり存在しない傾向があります。これは、原始的に存在するためには、星の中での核合成の際に、中性子捕獲のs過程とr過程の両方で、中性子の捕獲を免れて、さらに別の安定した偶偶数の同位体を形成しなければならないからです。

奇数原子番号Edit

奇数元素の安定同位体のほとんどは、対になった中性子によって安定化された48個の奇数陽子-偶数中性子核種であり、その他はごく少数の奇数陽子-奇数中性子核種で構成されています。 Z=1～81の奇数元素は41種類あり、そのうち39種類が安定同位体を持っています（テクネチウム(
43Tc
)とプロメチウム(
61Pm
)は安定同位体を持っていません）。 この39種類の奇数Z元素のうち、安定した奇数偶数同位体を1つ持つ元素は30種類（中性子が0の偶数の水素-1を含む）、9種類の元素があります。 塩素（
17Cl
）、カリウム（
19K
）、銅（
29Cu
）、ガリウム（
31Ga
）、臭素（
35Br
）。銀（
47Ag
）、アンチモン（
51Sb
）、イリジウム（
77Ir
）、タリウム（
81Tl
）の奇数偶数安定同位体はそれぞれ2個ずつです。

また、原始的な長寿命の放射性奇数個のアイソトープが5つあり、87
37Rb
、115
49In
、187
75Re
、151
63Eu
、209
83Bi
です。

陽子が奇数個、中性子が奇数個である安定核種は5種類しかありません。 最初の4つの「奇数核種」は質量の小さい核種で、陽子を中性子に変えたり、逆に中性子を陽子に変えたりすると、陽子と中性子の比率が非常に偏ってしまいます（2
1H
、6
3Li
、10
5B
、14
7N
、スピンは1、1、3、1）。

唯一の完全に「安定した」奇数核種である180m
73Ta
(スピン9)は、252種類の安定同位体の中で最も希少なものと考えられており、実験的試みにもかかわらず、未だに崩壊が観測されていない唯一の原始核異性体です。

比較的半減期の短い奇数核種(タンタル-180など)が多く知られています。

比較的半減期の短い奇数奇数核種（タンタル-180など）が多く知られていますが、これらは通常、近くにある陽子と中性子が対になった偶数偶数アイソバーにβ崩壊します。 原始的な9つの奇数奇数核種（5つは安定、4つは半減期の長い放射性核種）のうち、14
7N
だけが一般的な元素の最も一般的な同位体である。 これは、CNOサイクルの一部であるためである。 6
3Li
と10
5B
という核種は、それ自体が他の軽元素に比べて珍しい元素の少数派の同位体であるのに対し、他の6つの同位体は、その元素の自然存在量のごくわずかな割合しか占めていません。

奇数の中性子数

奇数の中性子数を持つアクチノイドは一般に核分裂性（熱中性子を持つ）であるのに対し、偶数の中性子数を持つアクチノイドは一般に核分裂性（熱中性子を持つ）である。 一方、中性子数が偶数のものは、高速中性子では核分裂するものの、一般的には核分裂しません。 観測的に安定な奇数番号の核種は、すべてゼロではない整数のスピンを持っています。 これは、単一の不対中性子と不対陽子は、そのスピンが反整列ではなく整列（少なくとも1単位の全スピンを生成）している方が、より大きな核力で互いに引き合うからである。

中性子数が奇数なのは195
78Pt
、9
4Be
、14
7N
だけで、その元素の中で最も天然に存在する同位体である

。