例外なくすべて放射性
ビスマスより重い元素では、真に安定な原子核は存在しません。半減期はトリウム232の140億年、つまり地球より古く現在も残っているものから、最も重い元素の1秒未満までさまざまです。
放射性金属が15種類あり、そのうち4種類は天然に存在し、11種類は人工的に作られます
アクチノイド
アクチニウムからローレンシウムまで。すべて放射性です。自然界に利用できる量で存在するのはトリウムとウランだけで、残りは一時的な崩壊生成物か、完全に人工的に合成されたものです。これらは宇宙船の動力源となり、岩石の年代を測定し、がんを治療し、20世紀を二分しました。
- 構成元素
- 15
- 族
- fブロック、周期7
- 電子配置
- [Rn] 5f¹⁻¹⁴ 6d⁰⁻¹ 7s²
- 放射性
- 15
周期表でハイライト表示
すべての元素
15個のアクチノイド
89
Ac
アクチニウム
227 u
強い放射性を持ち、ラジウムの150倍も放射性が高い元素です。アクチニウムは暗闇で淡い青色に輝きます。
90
Th
トリウム
232.038 u
ウランの3倍も豊富に存在し、兵器化が容易ではない、潜在的な原子炉燃料です。
91
Pa
プロトアクチニウム
231.036 u
天然に存在する元素の中でも最も希少で高価な元素の一つです。125 gの抽出には、かつて50万ドルかかりました。
92
U
ウラン
238.029 u
最も重い原始元素であり、20世紀を二つに分けた元素です。
93
Np
ネプツニウム
237 u
最初の超ウラン元素で、1940年に中性子をウランに衝突させて作られました。
94
Pu
プルトニウム
244 u
原子時代を可能にし、太陽の届かない領域へ向かう宇宙船を動かす元素です。
95
Am
アメリシウム
243 u
世界中の何百万台もの煙探知器に、ひっそりと使われている元素です。
96
Cm
キュリウム
247 u
キュリー夫妻にちなみ命名され、火星の土壌を分析した同位体を持つ元素です。
97
Bk
バークリウム
247 u
ナノグラム単位で作られ、主にさらに重い元素を作るための標的として使われます。
98
Cf
カリホルニウム
251 u
油井の検層やがん治療に使えるほど強力な中性子源です。
99
Es
アインスタイニウム
252 u
最初の水素爆弾実験の放射性降下物から発見され、雲の中を飛行した航空機で試料が運ばれました。
100
Fm
フェルミウム
257 u
中性子の照射によって、秤量できる量を作れる最も重い元素です。
101
Md
メンデレビウム
258 u
1個の原子ずつ作られ、同定された最初の元素です。
102
No
ノーベリウム
259 u
スウェーデン、アメリカ、ソ連の研究チームの間で、10年にわたる発見論争の対象となった元素です。
103
Lr
ローレンシウム
262 u
最後のアクチノイドで、予想されたパターンとは異なる電子配置を持ちます。
何によって定義されるか
アクチノイドを特徴づける3つのこと
ランタノイドより変化に富む
初期のアクチノイドは、ランタノイドが4f電子を内側に埋め込むようには5f電子を埋め込まないため、これらの電子は結合に関与します。ウランだけが+3から+6までの酸化数を示します。アメリシウムより先では、5f電子が局在化し、性質はランタノイドに似たものとなって+3に落ち着きます。
核分裂性と核燃料親物質
ウラン235とプルトニウム239は連鎖反応を持続させます。ウラン238とトリウム232は持続させませんが、中性子を取り込んで、持続させる核種になります。この違いこそが、原子力工学のすべてです。
周期表の傾向
族内での変化
ランタノイドの場合と同じように、系列全体でイオン半径は収縮します。原子番号が増えると安定性は急激に低下します。フェルミウム（100）より先の元素はすべて、加速器実験で一度に数個の原子を作り、検出することでしか存在しません。
世界での用途
何に使われるか
ウラン
原子炉燃料と兵器です。天然ウランの99.3%はU-238で、連鎖反応を維持できるのはわずか0.7%のU-235だけです。そのために濃縮を行います。
プルトニウム
兵器、そしてPu-238として、地球から240億km以上離れた場所で今もVoyager 1に電力を供給している放射性同位体熱電発電機です。
トリウム
ウランの3倍豊富で、兵器化がはるかに困難な、原子炉燃料の候補です。1世紀にわたって、ガスマントルがこれで街を照らしました。
アメリシウム
数百万台の家庭用煙感知器に使われる電離源です。1台あたり約0.3マイクログラムです。
カリホルニウム
油井検層やがん治療に十分な強度を持つ中性子源です。1マイクログラムで毎秒230万個の中性子を放出します。
アクチニウムとキュリウム
Ac-225は、他に治療法のないがんに対する標的アルファ線治療に使われています。キュリウム線源は火星探査車のX線分光計を動かしました。
取り扱い
安全性
表の中で最も危険な族です。すべて放射性毒性があり、いくつかは化学的にも有毒な重金属です。プルトニウムやポロニウムのようなアルファ線放出体は、体外では比較的無害ですが、アルファ粒子が非常に短い距離で全エネルギーを放出するため、体内では極めて危険です。微量に天然に存在するトリウムとウランを除き、すべてのアクチノイドには許可、遮蔽、封じ込めが必要です。
知っておくとよいこと
- Voyager 1は1977年からプルトニウム238の熱で稼働しており、2020年代半ばまで送信を続けると予想されています。
- 約17億年前、天然ウランがまだ自発的に臨界に達するほど濃縮されていた頃、ガボンのオクロでは天然原子炉が数十万年間稼働していました。
- アインスタイニウムは、最初の水素爆弾実験による放射性降下物の中から発見されました。航空機で雲の中を飛行して集められた残骸に含まれていました。
よくある質問
アクチノイドの概要
なぜウラン235は核分裂性なのに、ウラン238はそうではないのですか？
原子核の対形成。U-235は中性子数が奇数なので、中性子を1個加えると十分な結合エネルギーが放出され、遅い中性子であっても原子核を直ちに核分裂障壁の向こうへ押し出します。U-238は中性子数が偶数なので、中性子を加えても放出されるエネルギーは少なく、自身の運動エネルギーを持つ速い中性子だけが核分裂を起こせます。これが、原子炉で中性子を減速させ、濃縮が必要となる理由です。
核分裂性物質と親物質の違いは何ですか？
核分裂性核種は、それだけで連鎖反応を維持します。U-235、Pu-239、U-233がその例です。核燃料親物質はそれ自体では連鎖反応を維持しませんが、中性子を捕獲して、連鎖反応を維持できる物質へ核変換します。U-238はPu-239になり、Th-232はU-233になります。増殖炉はこの変換を意図的に行うために存在します。
近くにいても安全なアクチノイドはありますか？
劣化ウランとトリウムは弱いアルファ線放出体で、金属が無傷なら皮膚で止まります。そのため、トリウム入りガスマントルは1世紀にわたって扱われてきました。危険なのは吸入または摂取した場合で、アルファ粒子が生体組織の内部に全エネルギーを放出します。アメリシウムより先の元素は、どのような状況でも危険であり、遮蔽された施設内にしか存在しません。