アスタチンとは何ですか?
アスタチン(記号At)は周期表の元素85で、6周期、17族の半金属です。 地球上で天然に存在する最も希少な元素で、どの時点でも地殻全体に存在する量はおそらく25グラムです。 室温では固体で、放射性です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてアスタチンが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径150 pmです。これは0.15 nmなので、約3.33百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
アスタチンは、575 Kから610 Kまでの35 Kの範囲で液体です。
物語
地球上で天然に存在する最も希少な元素で、どの時点でも地殻全体に存在する量はおそらく25グラムです。
アスタチンは1940年、カリフォルニア大学Berkeley校のDale Corson、Kenneth MacKenzie、Emilio Segrèによって発見され、天然に存在する元素として最後に発見された元素となりました。チームは60インチサイクロトロン内でビスマス-209にアルファ粒子を照射し、アスタチン-211を生成して、アスタチンを人工的に作り出しました。この発見により、天然に存在する元素の周期表に残されていた最後の空白が埋まりました。
発見される前から、メンデレーエフの周期律に基づいて元素85の存在は知られていましたが、何十年もの間、検出できませんでした。「alabamine」(1931年)や「dor」(1936年)など、多くの誤った発見の主張と仮称がありました。Berkeleyチームは当初この発見を「alabamine」と呼びましたが、後にギリシャ語の「astatos」(「不安定」を意味します)に由来する「astatine」に変更しました。この名前は、アスタチンの放射性の性質を完全に表しています。
この発見には、1940年当時としては非常に高度な技術が必要でした。チームは、崩壊パターン、半減期、化学的挙動を調べることで、アスタチンを他の放射性生成物と区別しなければなりませんでした。アスタチンがハロゲンのように化学的に振る舞い、有機溶媒で抽出でき、元素85に予測された放射性の性質を持つことを示して、その存在を証明しました。
アスタチンは最初に人工的に生成されましたが、科学者たちは1943年、ウランの崩壊系列中にアスタチンを特定することで、天然の存在を確認しました。これによりアスタチンは、自然界で発見される前に人工的に作られた元素として独特な存在となり、人間の創意工夫と自然界におけるこの元素の極度の希少性の両方を示しました。
用途
アスタチン-211は、現代の核医学で最も有望な標的アルファ線治療(TAT)用放射性同位体の一つです。その7.2時間の半減期は、複雑な放射性医薬品の調製と患者の治療に十分な長さでありながら、長期的な放射線被ばくを最小限に抑えるのに十分短く、理想的な治療時間枠を提供します。世界中の研究機関が、神経膠芽腫、卵巣がん、血液悪性腫瘍など、さまざまながんの治療に向けて、モノクローナル抗体にAt-211を結合させる研究を進めています。
極めて希少であり、地球上に存在する量は常時30グラム未満ですが、アスタチンは核物理学実験で重要なトレーサーとして役立ちます。研究者は微量を用いてハロゲンの化学的挙動を調べ、他のハロゲンが極限条件下でどのように振る舞うかの理解に役立てています。天然に存在する最も重いハロゲンという独特の位置づけにより、周期表の予測や量子力学モデルの検証に非常に重要です。
アスタチンの同位体は、放射性崩壊経路と核の安定性を理解するのに役立ちます。At-210からAt-219は、アルファ崩壊過程に関する知見を与え、他の放射性物質用の検出装置の校正に役立ちます。これらの研究は、核廃棄物管理、放射線セキュリティ、超重元素合成に関する理解の進展に不可欠です。
実際のアスタチン試料は、極めて希少で危険なため入手が困難ですが、アスタチンの挙動に関するコンピューターシミュレーションと理論モデルは、核化学者や保健物理学者の訓練に役立ちます。アスタチンの化学原理を理解することで、研究者は他の不安定な重元素を扱う準備ができ、超重元素研究の安全プロトコルの開発にも役立ちます。
アスタチン-211は、次世代のがん治療として集中的に研究されています。従来の放射線治療で使用されるベータ線放出核種とは異なり、At-211は高エネルギーのアルファ粒子を放出し、周囲の健康な組織への損傷を最小限に抑えながら、ピンポイントの精度でがん細胞を破壊できます。主要ながん治療センターで臨床試験が進行中ですが、At-211の製造は極めて困難であるため、利用できるのは最も専門的な研究施設に限られます。
研究者は、フェムトグラム単位(10^-15グラム)のアスタチン同位体を用いて、化学的挙動を調べ、ハロゲンの性質に関する理論的予測を検証しています。これらの研究は、他の希少元素の挙動を予測するためのコンピューターモデルの検証に役立ち、重い原子における化学結合の理解に貢献します。
既知量のアスタチン同位体は、高感度放射線検出装置を校正するための基準標準として使用されます。この用途は、核セキュリティ、環境モニタリング、医療用放射線治療装置の精度確保に不可欠です。
極めて希少で放射性が高いため、アスタチンに商業用途はありません。すべての用途は、最先端の放射線安全プロトコルを備えた施設で行われる、極めて専門的な学術研究および医学研究に限られます。アスタチン研究の大部分は理論的なもので、実際の試料ではなくコンピューターモデルを使用しています。
起源
地殻に0 mg/kg存在し、0%の元素より存在度が高い
アスタチンは、地球上で天然に存在する最も希少な元素であり、地球の地殻全体に任意の時点で存在する総量は30グラム未満と推定されています。この異例の希少性は、複数の放射性崩壊系列に属し、半減期が極めて短いことに由来し、多くの人工的に作られた元素よりも希少です。
天然のアスタチンは、3つの主要な放射性崩壊系列、すなわちウラン-235系列(At-215とAt-219を生成)、ウラン-238系列(At-218を生成)、トリウム-232系列(At-216を生成)における中間生成物としてのみ存在します。これらの同位体は、フランシウム、ラジウム、ポロニウムなどのより重い放射性元素がアルファ崩壊またはベータ崩壊を起こすことで生成されますが、通常は数秒から数時間以内にさらに崩壊します。
アスタチンは地質学的過程ではなく放射性崩壊によって生成されるため、集中した鉱床や特定の地理的分布はありません。カナダのアサバスカ盆地、オーストラリアのオリンピックダム、カザフスタン、ナミビア、米国西部の各地など、ウラン鉱石やトリウム鉱石が存在する場所には微量が存在します。しかし濃度が限りなく低いため、抽出は不可能です。
天然に存在するアスタチン同位体のうち最も長寿命のAt-219でも、半減期はわずか56秒であり、At-215は0.1ミリ秒しか存在しません。つまり、ウランを含む岩石中ではアスタチン原子が絶えず生成と消滅を繰り返しています。この元素は動的平衡の状態にあり、放射性崩壊によって新しい原子が生成する速度と、既存の原子が他の元素へ崩壊する速度がほぼ等しくなっています。
取り扱い
アスタチンは放射性です。 安定同位体はなく、すべての原子核が崩壊します。 取り扱いには適切な遮蔽と許可が必要です。
アスタチンは、知られている中で最も危険な放射性元素の一つです。すべての同位体が高エネルギーのアルファ粒子を放出し、一部はベータ粒子やガンマ線も放出します。微量であっても致死量の放射線を与える可能性があります。最も研究されている同位体であるAt-211は、5.9 MeVのアルファ粒子を放出し、深刻な細胞損傷やDNA破壊を引き起こす可能性があります。
アスタチンの研究には、最高レベルの放射線封じ込め施設(バイオセーフティレベル3以上相当)が必要です。すべての作業は、遠隔操作装置を備えた専用のホットセル内で行わなければなりません。作業員は独立した空気供給装置付きの完全な放射線防護服を着用し、継続的な放射線モニタリングを受けなければなりません。ごく小さな漏出であっても、研究室全体を恒久的に汚染する可能性があります。
アスタチンへの被ばくに安全なレベルはありません。この元素はヨウ素のように甲状腺に集積する傾向があるため、特に危険であり、甲状腺がん、放射線障害、死亡を引き起こす可能性があります。倫理的な制約により、ヒトにおける生物学的半減期は不明ですが、動物実験では急速な取り込みと深刻な組織損傷が示唆されています。
アスタチンは、適切な封じ込め能力を備えた、認可を受けた核研究施設でのみ利用できます。輸送には、特別な原子力規制委員会の許可と、高レベル放射性物質用に設計された装甲車両が必要です。アスタチンが存在する場所では、避難手順や放射線被ばくに対する専門的な医療処置を含む緊急対応プロトコルを整備しなければなりません。
簡単な回答
アスタチン(記号At)は周期表の元素85で、6周期、17族の半金属です。 地球上で天然に存在する最も希少な元素で、どの時点でも地殻全体に存在する量はおそらく25グラムです。 室温では固体で、放射性です。
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵で、2, 8, 18, 32, 18, 7という分布の電子殻が6個あります。 最外殻には7個の電子があり、これによって結合の性質が決まります。アスタチンの融点は575 K(301.9 °C)、沸点は610 K(336.9 °C)です。
アスタチンには安定同位体がないため、標準原子量はありません。記載されている210は、既知の同位体のうち最も長寿命なものの質量数です。
アスタチンの密度は約7 g/cm³と予測されていますが、重さを測れるほど大きな試料はこれまで作られていません。比較として、水は1.0 g/cm³です。
アスタチンのポーリング電気陰性度は2.2です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
アスタチンは1940年にCorson, MacKenzie & Segreによって発見されました。 ギリシャ語のastatos、「不安定な」にちなんで名付けられました。
アスタチンは地球上に意味のある量では自然に存在せず、原子炉や加速器で作られます。
はい。アスタチンには安定同位体がなく、その原子核はすべて崩壊します。 重い元素の崩壊生成物として、微量が自然に存在します。