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第40回　２－４　希ガスの科学（４）	2017/12/30
２－４－５　原子核の崩壊と希ガスの生成（続き）

（６）アルファ崩壊とヘリウムの生成

　前述のように、アルゴンの生成のほとんどは、親核種（⁴⁰K）のEC崩壊による娘核種（⁴⁰Ar）への変換という崩壊過程に限定されていたが、ヘリウムは、α崩壊の娘核種ではなくα崩壊によって生じるα線（α粒子）そのものであるから、ヘリウムが生成される過程の種類は、非常に多い。

　ヘリウムの供給源であるα崩壊は、原子核からα粒子（⁴He原子核）が飛び出し、元の原子核の質量数が4、原子番号が2減る反応である。

　α崩壊は自然界にありふれた現象であるが、発見された当初は、原子核の中から（質量数が4もある）α粒子がどのようにして飛び出してくるのか、その機構が理解されていなかった。
　 α粒子は「（量子）トンネル効果」によって、原子核の障壁を越えて原子核の外に飛び出しているという、α崩壊の機構が、ジョージ・ガモフ（1904～1968年、ロシア・米国）によって見出された（1928年）。
　「トンネル効果」は、古典的には乗り越えることができないポテンシャル障壁を、量子が乗り越える現象である。
　トンネル効果は、量子の持つ粒子性と波動性という二面性から引き起こされ、不確定性原理によって説明されている。
　古典力学では、粒子が壁を乗り越えようとするとそれに必要なエネルギーを必要とするが、量子力学では、量子の不確定性によって、壁の向こう側に量子が現われる確率はゼロではないという説明ができる。あるいは、量子は、未来からエネルギーを借りてきて、障壁を越えてからそのエネルギーを返却することができる、という説明もある。古典物理の常識では、原子核の中から飛び出すことができないはずのα粒子は、トンネル効果によって放出され、自然界は、非常に多くのα崩壊によって成り立っている。

　α崩壊以外でもトンネル効果も珍しいものではなく、それを利用する技術もある。身近な実用例としては、トンネルダイオード（エサキダイオード、1957年、江崎玲於奈、黒瀬百合子が発明）やフラッシュメモリー（1980年、舛岡富士雄が発明）、走査型トンネル顕微鏡（1982年、ゲルト・ビーニッヒ、ハインリッヒ・ローラーが発明）などがある。

　α崩壊は、様々な「崩壊系列」の中に含まれているが、図には最も代表的なアクチノイド・アルファ崩壊系列のひとつである「ウラン崩壊系列」を示す。
　原子核の崩壊系列は、様々な書籍に掲載され詳細な情報・数値が示されているが、ここでは、かなり簡略化して簡単に示すことにした。アイソトープ手帳や理科年表などを参考に半減期の概略値を示し、α線のエネルギーと同時に放出されるγ線は省略した。ひとつの核種に対して、複数の崩壊モードがある場合も崩壊確率の数値を省略して確率が高い方の線幅を広くした。

　図中の上から下へ向かう縦の矢印がα崩壊、右斜め上方向への矢印がβ^－崩壊である。準安定同位体（核異性体）^234mPaは、例外的に上向きの矢印（Isomeric transition、IT崩壊あるいは核異性体転移）がある。原子番号も質量数も変わっていないが、図中では縦に並べている。
　ウラン崩壊系列は、ウラン238（²³⁸U）から始まり、α崩壊とβ^－崩壊を繰り返し、安定同位体である鉛206（²⁰⁶Pb）で完結する。非常に多くの核種がα崩壊をするため、これら全てがヘリウムの発生源となるが、半減期の長い同位体が半減期の短い核種よりも多く存在するため、ヘリウムの主要な供給源は、²³⁸U、²³⁴U、²³⁰Th、²²⁶Raの4つの同位体ということになる。

　希ガスのラドンは、全ての原子が放射性同位体であるが、ウラン崩壊系列の²²²Rnが多く、通常ラドンといえばこの222ラドンのことを指す。220ラドン（²²⁰Rn）は、別名トロンとも呼ばれ、自然界の至る所にラドンとトロンの２つが発生するため、ヒトが自然界から受ける放射線被曝量のおよそ半分がラドンとトロンによるもので、残り半分がカリウム40（⁴⁰K）と言われている。

　ここに示したアクチノイド系列の元素は、ガスの科学や産業ガスの商材からは、あまりなじみがないが、ウラン、プルトニウム、水銀、鉛、ラドン、ラジウムなどの元素名は一般にも広く知られている。
　トリウムは、現在は核燃料としては使用されていないが、溶接電極材料、るつぼ、触媒など工業的に用いられており、ネオジミウム（ネオジム）やセリウムなどと同じ鉱物に含まれ、レアアースの鉱山から同時に産出されることでも知られる。
　ビスマスは超電導物質材料、ポロニウム、タリウムは毒性物質としても知られている。アクチノイド系元素やその同位体の名前は比較的よく知られている。
　なお、図中の鉛206（²⁰⁶Pb）に？マークがついているのは、最新の研究から、鉛には安定同位体がひとつも存在しないのではないかということが検討されているためである。鉛206（²⁰⁶Pb）もウラン崩壊系列の最終生成物ではなく、もう一度α崩壊して水銀202（²⁰²Hg）で安定するのではないかということが研究されている。

　α崩壊は、図に示したウラン崩壊系列の他にアクチニウム系列、トリウム系列、ネプツニウム系列という4つのアクチノイド崩壊系列が一般的である。この他にもジスプロシウム系列、サマリウム系列、ネオジミウム系列などの崩壊系列があるが、ウランは、地球上に非常に広く分布し、天然ウランの組成は、ウラン238（²³⁸U）が99.3％、ウラン235（²³⁵U）が0.7％である。したがって、自然界では、ウラン238（²³⁸U）から始まるウラン崩壊系列が多く存在し、ヘリウムの多くが、この崩壊系列から生成されているということになる。

（７）地球の年齢推定と放射性物質

　大昔、創世記の地球はもっと熱く、どろどろに溶けた状態から徐々に冷えてきたと考えられている。地球科学が発達してきた時、多くの学者が、この熱い地球が冷えて今の状態になったとして、地球の年齢を推定してきた。
　アイザック・ニュートン（1642～1727年、イングランド）は、地球と同じ大きさの鉄の火の玉が17世紀の地球と同じ温度になるのに5万年かかると計算した。最初の地球の温度は不明ながら、ニュートンの時代、地球は鉄の融点から冷え始めて、5万年の時がたっていると見積もられたのである。
　ジョゼフ・フーリエ（1768～1830年、フランス）は、熱伝導の研究から地球の年齢を計算する方法を示し、後年、フーリエが残した方法で他の研究者が求めた値から、地球の年齢は、1億年とされた。

　ジュール＝トムソン効果で知られるウィリアム・トムソン（ケルビン卿、1824～1907年、アイルランド）は、地球ができた時の様子が分からないため、最初の温度は分からないものの、岩石の融点、地球が固化し始めた時点から現在（19世紀）までの時間を計算できるとし、岩石の熱伝導率、地下の温度分布、などを調査し、地球の年齢がおよそ1億年（数千万年から4億年の間）であると計算した。
　ウィリアム・トムソンが示した、地球年齢1億年説（1862年）は広く信じられるようになった。「ケルビンの地球1億年説」という文言も知られるが、トムソンがケルビン卿を名乗るのは、ずっと後、30年後の1892年であるから、「ウィリアム・トムソンの地球1億年説」とするのが正解である。
　ウィリアム・トムソンは、古典物理学の大家であるが、地球物理学でも知られている。地球の年齢の推定や、月の潮汐力によって変形する地球の硬さの推算などを行っている。
　ウィリアム・トムソンの地球1億年説と当時の地質学や生物の進化論とは相容れない部分が多くあり、非常に大きな議論が起こったが、現在の最新の科学では、地球の年齢は45.4億年と推定されており、ウィリアム・トムソンの計算は大きく間違っている。
　ウィリアム・トムソンほどの天才的な科学者であっても、全く計算があっていないのは、地球内部にある様々な放射性物質が産み出す崩壊熱を考慮していないためである。もし、地球の内部に放射性物質の崩壊熱がなく、トムソンの計算通りであれば、地球は40億年以上も前に放熱によって冷えて凍り付いているはずであるが、地球は今も活動を続ける生きた惑星である。

　アーネスト・ラザフォード（1871～ 1937年、ニュージーランド、英国）は、放射性物質が崩壊する時に熱を発生することを見出し、地球の内部で熱が発生しているため地球の年齢や寿命はトムソンが推定した値よりもはるかに長いことを示した。
　ラザフォードは、ウランからα線とβ線を発見（1898年）、放射性元素（当時は同位体という概念がなく元素の性質を放射性と呼んだ）の崩壊から「半減期」の概念を提唱（1900年）、放射性元素変換説を提唱（1902年）、ガイガーと共同でα粒子の計数測定に成功（1907年、20年後にガイガー＝ミュラー計数管として実用化）、ノーベル化学賞を受賞（1908年）した。原子核の崩壊に関する研究を推し進めていた。
　ラザフォードは、ケルビン卿を名乗るようになったトムソンと対面、両者が地球の年齢について議論した時（1904年）、古典物理学の大家ケルビンは80歳、ラザフォードは33歳であった。ラザフォードは、岩石中のウランとヘリウムの量からその岩石の年齢を推算する方法を示し、ケルビンが示した地球の年齢よりもはるかに古い岩石を提示した。
　しかし、ケルビンは、ラザフォードが示した原子の放射性崩壊を認めず、目の前に示された1億年より古い岩石の存在を認めず、自説を曲げなかった。
　時代は、まさに古典物理学から現代物理学へと変りつつあった。ケルビンという名前は、熱力学温度や色温度を表わす単位として残り、今も物理学の世界ではさん然と輝く名前であるが、ケルビン卿自身は、希ガスの発見、量子力学、原子核崩壊、相対性理論など19世紀末から20世紀初頭につながる現代物理学の時代を全く認めていなかった。希ガスは分子間力が小さく、非常に液化しにくい物質であるため、超低温の分野では欠かせない物質である。これらの物質を取り扱うときの温度は熱力学温度ケルビンである（セルシウス度のような慣習温度の使用はあり得ない）。
　しかし、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの新時代の物質や現代物理学とケルビン卿の名前は違和感があり、非常に相性がよくない。
　ラザフォードらの新しい科学を認め、電子やネオンの安定同位体を発見したもうひとりのトムソン、JJトムソン（1856～1940年）の方が20世紀の物理学にはふさわしい名前と言えるようである。（19世紀に生まれた英国を代表する3人の物理学者は、ウィリアム・トムソン1824年生まれ、JJトムソン1856年生まれ、アーネスト・ラザフォード1871年生まれである。）

地球の熱源、最新の研究

　地球創世記、数多くの微惑星が衝突、そのエネルギーと微惑星がもっていた放射性物質の崩壊熱によって、地球全体はマグマオーシヤンと呼ばれる、岩石がどろどろに溶けた状態であったと推定されている。重い鉄元素が中心に向かって沈み、やがて微惑星がなくなり、大きな衝突もなくなってきたところから、地球は冷え始めたと考えられている。外から隕石や微惑星が衝突してこない限りは、エネルギーは補給されないため、地球は冷えていく（地球表面の温度は、太陽からのふく射熱に依存する）。
　最近の研究では、40～42億年前の火成岩中のジルコンが発見・調査され、これが生成された時の環境が推定されるようになった。
　 46億年前に誕生した地球は、わずか6億年後から、表面が冷えて固まり始め、既に液体の水も存在していたのではないかとされている（2008年、UCLAのMホプキンスら）。
　その後、地球には大きな天体の衝突による外からの大きなエネルギー供給がなく、宇宙へ熱を放出し続けている。地球の放熱は、44.2兆ワット（442億kW）と見積もられている。現在、この放熱とほぼ釣り合う地球内部の熱供給が研究されているということになる。
　マグマオーシヤンの中から重い物質、鉄とマグネシウム中心とした金属が地球中心に向かって沈み込んだ時、その位置エネルギーは、熱エネルギーとなって、地球内部には莫大な「原始の熱」がためこまれた。地球の放熱の半分がこの原始の熱によるものと推定されている。
　一方、微惑星の中に含まれていた放射性物質は、崩壊を続け、残りの熱を供給している。ニュートンやケルビンは、この原始の熱と原子の崩壊熱を考慮することができなかったため、地球の年齢を非常に短く見積もってしまったことになる。
　地球の表面に分布する、ウランとトリウムの崩壊熱は7兆ワット（70億kW）、地球全体でのカリウムの崩壊熱は4兆ワット（40億kW）と推定されている。全体の放熱から原始の熱を除き、地殻の崩壊熱11兆ワットを除く残りが、どこからくるのかという研究が、東北大学ニュートリノ科学研究センターのカムランドを用いて行われた（井上邦雄ら）。地球内部の反ニュートリノを観測した結果、地殻を除いたマントル中で発生するウラン・トリウムの崩壊熱は10兆ワットと推定された。
　地球の熱源の半分が原始の熱、地殻中には11兆ワットの崩壊熱、マントル中には10兆ワットの崩壊熱があると推定されたのである。地殻は、地球表面の非常に薄い皮であり、マントルは非常に深いところにまで広がる大きな構造であるが、ウランは表面に多く分布しており、地殻の発熱とマントルの発熱はほぼ同じような値となっている。このような地球内部の熱源の研究は、火山活動、プレート運動、地震活動、マントル対流、地磁気の研究・理解に必要な情報とされている。
　なお、ここで示している地球の熱収支は、地球内部の発熱とその放熱の関係を示しており、太陽からの放射熱やそれが再び宇宙空間に放射される量は議論されていない。太陽からの入射は、17京4千兆ワットと桁外れに大きく、このエネルギーの収支と地球内部の熱が合わされて、地球と地球外との間の熱収支が得られている。

（８）ウラン

　ウランは、酸化物などが核燃料として利用されており、金属材料としては身近ではないが、鉱物としては普遍的な物質であり、地殻や水中に満遍なく存在する微量元素である。日本語では、英語のウラニウム（uranium）とドイツ語のウラン（Uran）のいずれの用語も使われている。

　ウランは、地球の熱バランスに寄与し地球の温度を決めている重要な元素のひとつである。地殻中には重量比2.4ppm含まれ、海水1リットル中には3.3μg（重量比3.2ppb）が溶存している。
　しかし、もし地球内部（深部）にも、地殻中と同じ濃度のウランが存在するとすれば、ケルビンが示した計算とは逆に、地球は冷えるのではなくウランの崩壊熱によって地球の温度は上昇し続けることになる。そうすると、創世記の地球は、非常に低温であったということになるが、多くの観測からそうはなっておらず、創世記の地球の方が熱く、現在に至るまで冷却が進んでいるのは間違いない。
　したがって、地球の奥深くには、地殻中のように多くのウランが存在しないと考えるのが正しいようである。

　鉱物としてのウランは、固体の岩石中の結晶に入りにくい「不適合元素」と呼ばれる性質がある。マントルは、マントル対流現象があり、地球物理としては流体と扱われるが、地球化学における化学物質としては固体として扱われる。したがって、ウランは固体であるマントルではなく液体（高温の溶融体）であるマグマに濃縮されることになる。ウラン濃度は、マントル（固体）中で低く、マグマ（溶融体）中で高くなり、マグマが冷えて固まった地殻中のウラン濃度は、地球深部、マントル中のの濃度よりも高くなった考えられる。
　ウランがα崩壊しヘリウムが生成されるが、それは地球深部ではなく、より浅い地殻中ということになる。生成したヘリウムは大気中に拡散、その多くは、宇宙空間へと散逸していると考えられ、空気中の濃度は約5ppm、アルゴンの2000分の1しかない。

　 α崩壊によって生成されるヘリウムは、⁴Heであるから、もうひとつの安定同位体³Heとの割合を調べることによって、ウランがどのように分布しているのかを推定することができる。ただし³Heは創世記のヘリウムの名残であり、極めて微量にしか存在していないため高精度の分析が必要である。
　図に³He/⁴He同位体比のおよその分布を示す。（少々、大雑把な数値も含まれているようであり、詳細を知るには地球物理学、地球化学の専門書が必要である）
　空気中、地殻中、マントル中などの同位体比が調べられているが、現在の技術では、まだマントルの直接採取ができないので、マントル中の値は、地表面に現れた岩石を採取して得られた分析結果である。さらに深部の組成については、サンプリングすることができないため数値は不明であるが、最近になって、反ニュートリノ観測装置である東北大学のカムランドによって地球内部の放射性物質の量が推定されるようになった。

　図の右に示すように、太陽と木星では、ヘリウム同位体比Rは、ほぼ同じであるが、地球の空気中の同位体比は、これらの100分の1程度と非常に小さく³Heは、ヘリウムのうちの1.37ppmしかない。
　空気中のヘリウムは、α崩壊由来のヘリウムがほとんどであり、太陽のヘリウム同位体比とは大きく異なり、創世記のヘリウムは、ほとんど残っていないことが示されている。
　空気中の同位体比Raを1とした時の同位体比の比R/Raは、空気中の³Heに比べて、どの程度³Heが多いか、すなわち ⁴He がどのくらい少ないかということを示す指標である。
　たとえば、火山ガスのR/Raは空気中の10～50倍あり、この値が大きいということは ⁴He が少ない、アルファ崩壊が少ない、すなわちウランが少ないということを意味している。
　大陸地殻中では、Raは空気中と同じ1に近いが、上部および下部マントル中ではその値が大きく、マントル中にはウランが少ないということを示している。ヘリウムの同位体比の調査から、ウランは地球の表面の地殻中に多く存在し、深部には多くないということが分かる。

　ウランは普遍的に存在するが、精製されたものが核燃料に用いられるため、特殊なものと思われがちである。しかし、ウランそのものは世界中どこにでも存在し、日本にもウラン鉱石があるが、鉱山としては採算性がとれないため商業的な開発がされていないだけである。
　他の鉱物資源と同様、産業用としては製錬に有利で採算がとれる高品位ウラン鉱石を多く産出する鉱山が優先して開発されるため、現在のウラン生産国は18ヶ国となっている（カザフスタン、カナダ、オーストラリア、ニジェール、ナミビア、ロシア、ウズベキスタン、米国、中国、マラウイ他8か国）。
　ウランは、前述の濃度で、地殻中に約1014トン（1,000億トン）、海水中に約40億トン存在するのに対して、現在の価格における可採埋蔵量は、およそ533万トン（2012年の年間生産量約5.8万トンに対して92年分）とされている。
　可採埋蔵量は、ウランの総量の約2000万分の1、海水中の量に対しても750分の1しかない。この数値の大きな開きは、ウランは、あらゆる岩石中に普遍的に存在し大量に存在しているが、商業ベースに乗る高品位のウラン鉱は非常に少ないということを意味している。

表　アルゴン同位体・ヘリウム同位体の太陽大気存在比と（地球）天然存在比
核種	太陽大気	天然存在比	太陽大気との違い
³⁶Ar	0.842	0.0034	約250分の1
³⁸Ar	0.158	0.00063	約250分の1
³⁸Ar／³⁶Ar	0.188	0.185	ほぼ同じ
⁴⁰Ar	0.000260	0.996	約3800倍
⁴⁰Ar／³⁶Ar	0.000309	292.9	300万倍大きい

³He	0.000142	0.00000137	約100分の1
⁴He	0.999858	0.99999863
⁴He／³He	7.0×103	7.3×105	103倍