同位体とは何か、なぜ大切なのか

陽子は同じ、中性子は違う

炭素原子はどれも陽子を6個もっています。それが炭素である理由です。しかし、炭素原子の中性子の数はすべて同じではありません。ほとんどは6個ですが、約100個に1個は7個、ごくわずかなものは8個です。

こうした異なるバージョンを同位体といいます。この言葉は「同じ場所」を意味するギリシャ語に由来し、ある元素のすべての同位体が周期表の1つのマスを共有しているからです。

中性子は電荷をもたないので、増やしたり減らしたりしても電子の数は変わりません。化学は電子で決まるため、ある元素の同位体は反応でほとんど同じようにふるまいます。両者の主な違いは質量です。

同位体の名前のつけ方

同位体は、元素名にその質量数（陽子と中性子の合計）をつけて名づけます。炭素12は陽子6個と中性子6個、炭素13は陽子6個と中性子7個、炭素14は陽子6個と中性子8個です。

科学者は、¹²C や ¹⁴C のように、質量数を元素記号の左上に書くこともあります。中性子の数を求めるには、質量数から原子番号を引きます。炭素14なら 14 − 6 = 8 です。

水素の同位体は、それぞれ固有の名前をもつので特別です。ふつうの水素（水素1）は中性子がなく、重水素（水素2）は1個、三重水素（水素3）は2個もっています。

原子量が小数になる理由

自然界にあるほとんどの元素は同位体の混合です。周期表の原子量は、それらすべての原子の平均の質量で、各同位体の存在比で重みづけしたものです。

塩素がわかりやすい例です。塩素原子の約4個に3個は塩素35で、約4個に1個は塩素37です。平均は両者のあいだで、35に近い値の35.45になり、これが塩素のマスにある数です。

炭素も同じです。炭素原子の約98.9%は炭素12、約1.1%は炭素13なので、炭素の原子量は12をわずかに上回る12.011です。

17Cl塩素35.45

安定同位体と放射性同位体

多くの同位体は安定で、自然に変化することはありません。そうでないものは放射性です。原子核が不安定なので、遅かれ早かれ壊れて放射線を出します。これを放射性崩壊といい、多くの場合、原子は別の元素に変わります。

炭素14は放射性です。崩壊すると中性子の1個が陽子に変わり、原子は窒素14になります。試料の半分が崩壊するのにかかる時間を半減期といいます。炭素14の半減期は約5,730年です。

安定同位体をまったくもたない元素もあります。テクネチウム（43）、プロメチウム（61）、そして鉛（82）より重いすべての元素は放射性です。

同位体の利用

植物は空気から少量の炭素14を取り込み、動物は植物を食べてそれを取り込みます。生き物が死ぬと炭素を取り込まなくなり、体内の炭素14はゆっくりと崩壊していきます。残っている量を測ることで、科学者は約5万年前までの骨、木材、布の年代を調べられます。これを放射性炭素年代測定といいます。

医師も放射性同位体を使います。テクネチウム99mは骨や臓器の画像をつくるのに役立ち、ヨウ素131は一部の甲状腺の病気の治療に使われます。天然のウランのうちわずか約0.7%を占めるウラン235は、ほとんどの原子力発電所の燃料です。