宇宙（７５） 原子の正体（９）

水素には、　軽い水素と重い水素があるのか。

チャドウィックによって、　原子核は陽子と中性子でできていることがわかった。　陽子の数によって原子の種類（元素）が決まり、　中性子の数は原子の重さに影響する。　陽子と中性子の数の合計を「質量数」といい、　その原子の大体の重さをあらわす。　陽子の数は元素ごとに異なっているが、　中性子の数はそうとは限らない。　例えば水素の場合、　陽子は１個と決まっているが、　中性子は０個と１個と２個の３種類がある。　同じ水素でも、　軽い水素と重い水素がある。　このように、　「原子番号が同じで、　つまり陽子の数が同じで、　中性子の数が異なるものが全ての元素で見つかっている。　そのようなものを『同位体』という。」

同位体を発見したのはイギリスの物理化学者フレデリック・ソディ（１８７７～１９５６）である。　ソディは１９１０年頃、　化学的な性質は同じなのに、　放出する放射線の特徴に違いを持つ原子のグループがあることに気がついた。　ソディが調べた原子のように、　同位体の中に放射線を出すものがある。　例えば中性子の数が２個の水素原子は、　ベータ線という放射線を出すことで中性子１個が陽子に変化し、　別の原子核（ヘリウム３）になる。　このような同位体を放射性同位体という。　尚、　同位体は「原子量」にも影響する。　原子量とは、　質量数１２の炭素の重さを１２としたときの、　各原子の相対的な重さである。　そして全ての元素の原子量は、　整数ではない半端な数になる。　それは、　同位体の存在比をふまえて計算されるからである。　例えば、　炭素には質量数１３の同位体が全体の１．１％の比率で存在している。　そのため炭素の原子量は、　１２に極めて近いが、　１２．０１０７となる。　酸素の場合は、　質量数１６（９９．８％）と１７（０．０４％）と１８（０．２％）のものが存在し、　原子量は１５．９９９４となる。

●中性子を持たない水素原子
原子核が陽子１個であり、　中性子を持たない水素原子は「水素１」である。　天然に存在する水素原子の９９．９％以上を占めるのが、　この水素１である。

●中性子１個の水素原子
中性子を２個持つ水素原子は「水素２」である。　「重水素」と呼ばれる。　水素全体の０．０１％を占めている。　尚、　人工的には中性子の数が６個の七重水素まで合成できることが確認されている。　しかし、　いずれもすぐに崩壊してしまう。

●中性子２個の水素原子
中性子を２個持つ水素原子は「水素３」である。　三重水素、　或いはトリチウムという。　三重水素は放射性同位体であり、　ベータ線（正体は電子）という放射線を出してヘリウム３に変わる。　これによって、　中性子一つが陽子に変り、　そのため原子番号が一つ増えて水素からヘリウムになる。　三重水素は天然で作られるため、　なくなってしまうことはない。　

●同位対比の違いで産地同定
放射線を出さない同位体（安定同位体）は、　普通に存在している。　例えば水素１（軽い水素）と水素２（重い水素）は、　それぞれ主に水分子の一部として存在している。　そしてその割合は、　場所によって異なる。　生物は体内にその場所の水を取り込むため、　体内にある軽い水素と重い水素の割合を調べることで、　生物の産地を明らかにすることができる。　尚、　水分子には酸素原子も含まれているため、　通常は水素と合わせて酸素の同位体比も調べられる。

●放射性同位体で癌検査
癌患部に集まりやすい薬品に放射性同位体をくっつけておき、　経口薬や注射で体内に入れる。　その後、　放射線を写す特殊な機器で体内を撮影すると、　癌の位置や大きさが明らかになる。

●放射性同位体で年代測定
放射性同位体は、　放射線を出して別の元素に変化する。　このとき、　もともとの同位体の量が半分に減る時間（半減期）は、　同位体ごとに決まっている。　例えば炭素１４という放射性同位体は窒素１４に変化するが、　その半減期は５７３０年である。　この性質を利用して、　炭素１４は地球科学での年代測定に利用されている。　環境中にある炭素１４の量は一定である。　また生物は、　体内に炭素を取り込む一方で排出し、　常に入れ替えている。　そのため常に一定量の炭素１４が体内に存在することになる。　生物が死ぬと、　体内の炭素１４は出入りがなくなり、　窒素１４に変化していくだけになる。　発掘された貝殻や木の実、　遺骸等に炭素１４が何％残っているかを調べることで、　その生物が何年前に死んだのかを推定することができる。

―　－　－　つづく