カルシウムの同位体

カルシウムの同位体(カルシウムのどういたい)には、4種類の安定同位体（⁴⁰Ca、 ⁴²Ca、⁴³Ca、⁴⁴Ca）の他に、2種類の長寿命の放射性同位体（⁴⁶Ca、⁴⁸Ca）が、現在の地球上に天然に存在するカルシウムの同位体である。ただし、この他に⁴¹Caは、⁴⁰Caが宇宙線由来の中性子を捕獲することで逐次生成されている、微量放射性同位体として極々微量ながら天然に存在する。なお、人工的に作られたカルシウムの同位体は、他に何種も知られている。

概説

カルシウムの同位体は、⁴⁰Ca（96.94％）、⁴²Ca（0.647％）、⁴³Ca（0.135％）、⁴⁴Ca（2.086％）、⁴⁶Ca（0.004％）、⁴⁸Ca（0.187％）の割合で、現在の地球上に天然に存在している。（ただし、この割合には異なる推定値もある。）カルシウムは原子番号20番と、全ての元素の中で比較的軽い（小さい）元素である。もっと原子番号の大きい元素には、このように何種もの同位体が天然に存在していることもしばしばある（例えば、スズやキセノンなどは、天然に存在する同位体の種類が多いことで知られている）のだが、カルシウムのような軽い元素に4種の安定同位体、2種の長寿命の放射性同位体が存在するというのは特筆に価する。このようなことになっているのは、カルシウムの陽子の数が20という魔法数であるから、安定な同位体が多いのだと一般に説明されている。また、28も魔法数として知られているが、⁴⁸Caは中性子の数も魔法数であるから寿命が長いのだと一般に説明されている。

⁴⁰Ca

現在の地球上に天然に存在するカルシウムの約97％は、⁴⁰Caである。したがって、標準原子量は40.078(4) uと、⁴⁰Caの質量に近い。カルシウムの地球上での一番軽い安定同位体は、⁴⁰Caである。この原子核は、陽子20個、中性子20個からなる。このように原子核を構成する陽子と中性子の数が同数で、地球上で安定して存在できる原子核としては、²H、⁴He、⁶Li、¹⁰B、¹²C、¹⁴N、¹⁶O、²⁰Ne、²⁴Mg、²⁸Si、³²S、³⁶Ar、⁴⁰Caが知られている。これらの中で最も重いのが、この⁴⁰Caである。地球上で安定して存在できる原子核は、⁴⁰Caよりも重い原子核の場合、必ず陽子の数よりも中性子の数の方が多い。このようなことになっているのは、⁴⁰Caの陽子と中性子とが共に20という魔法数であるからだと一般に説明されている。なお、このように陽子と中性子の両方が魔法数となっている状態を、二重魔法数になっていると言う。⁴⁰Caのような二重魔法数となっている核種は、非常に安定であるとされている。

⁴⁰Caは⁴⁰Arと共に、⁴⁰Kの崩壊により生成する核種の1つである。地質学の分野で用いられる放射年代測定の手法の1つとして、カリウム・アルゴン年代測定法がよく用いられる。これに対して、⁴⁰Caについては、元々天然に⁴⁰Caが多く存在するために、放射年代測定に⁴⁰Caを用いることは困難である。カリウム・カルシウム年代測定法には質量分析等が用いられる。

⁴¹Ca

⁴¹Caは、宇宙線によって天然に逐次生成される同位体で、半減期10万3000年で⁴¹Kに崩壊する。主に宇宙や大気の上層部で起こる宇宙線による核破砕によって生成される核種とは異なり、⁴¹Caは、⁴⁰Caの中性子放射化により生成する。このため、地球上での主な生成場所は、標高の高い場所か、宇宙線由来の中性子が十分届く程度の土中である。なお、⁴¹Kの隕石中の存在は、太陽系形成時の⁴¹Caの存在を意味しており、太陽系形成時、またはその直前に⁴¹Caの合成場が存在したことを示唆している^[1]。

⁴⁶Caと⁴⁸Ca

⁴⁶Caと⁴⁸Caは、その半減期が長いため、現在の地球でも存在している放射性同位体である。このうち⁴⁸Caは、陽子が20しかないのにもかかわらず中性子過剰数が8もあるが、その割に半減期は長く、約430京年と極端に安定している。また、⁴⁶Caと⁴⁸Caとでは、圧倒的に⁴⁸Caの方が多く存在している。このことは、⁴⁶Caが陽子20個に中性子26個と魔法数を1つしか持っていないのに対して、⁴⁸Caは陽子20個に中性子28個と魔法数を2つ、つまり二重魔法数となっているからであると一般に説明されている。

一覧

同位体核種	Z(p)	N(n)	同位体質量 (u)	半減期	核スピン数	天然存在比	天然存在比 (範囲)
	励起エネルギー
34Ca	20	14	34.01412(32)#	<35 ns	0+
35Ca	20	15	35.00494(21)#	25.7(2) ms	1/2+#
36Ca	20	16	35.99309(4)	102(2) ms	0+
37Ca	20	17	36.985870(24)	181.1(10) ms	(3/2+)
38Ca	20	18	37.976318(5)	440(8) ms	0+
39Ca	20	19	38.9707197(20)	859.6(14) ms	3/2+
40Ca	20	20	39.96259098(22)	STABLE [>5.9E+21 a]	0+	0.96941(156)	0.96933-0.96947
41Ca	20	21	40.96227806(26)	1.02(7)E+5 a	7/2-
42Ca	20	22	41.95861801(27)	STABLE	0+	0.00647(23)	0.00646-0.00648
43Ca	20	23	42.9587666(3)	STABLE	7/2-	0.00135(10)	0.00135-0.00135
44Ca	20	24	43.9554818(4)	STABLE	0+	0.02086(110)	0.02082-0.02092
45Ca	20	25	44.9561866(4)	162.67(25) d	7/2-
46Ca	20	26	45.9536926(24)	STABLE [>100E+15 a]	0+	0.00004(3)	0.00004-0.00004
47Ca	20	27	46.9545460(24)	4.536(3) d	7/2-
48Ca	20	28	47.952534(4)	43(38)E+18 a	0+	0.00187(21)	0.00186-0.00188
49Ca	20	29	48.955674(4)	8.718(6) min	3/2-
50Ca	20	30	49.957519(10)	13.9(6) s	0+
51Ca	20	31	50.9615(1)	10.0(8) s	(3/2-)#
52Ca	20	32	51.96510(75)	4.6(3) s	0+
53Ca	20	33	52.97005(54)#	90(15) ms	3/2-#
54Ca	20	34	53.97435(75)#	50# ms [>300 ns]	0+
55Ca	20	35	54.98055(75)#	30# ms [>300 ns]	5/2-#
56Ca	20	36	55.98557(97)#	10# ms [>300 ns]	0+
57Ca	20	37	56.99236(107)#	5# ms	5/2-#