最終更新日：2026年1月13日

アスタチン (At, Z = 85)：周期表の幻

アスタチンの天体物理学と放射化学における役割

自然界で最も希少な元素

アスタチンは、地球上で最も希少な自然元素という独特の記録を持っています。推定によると、地殻中に存在するアスタチンの総量は、ある瞬間において30グラム未満です。この極端な希少性は、すべての同位体が非常に短い半減期を持つ放射性であるためです。最も長い半減期を持つアスタチン-210でも、半減期はわずか8.1時間です。そのため、地球形成時に存在した原始的なアスタチンはすでに崩壊しています。現在存在するアスタチンは、ウランやトリウムの自然崩壊連鎖の中間生成物として絶えず再生成されていますが、すぐに消失します。

崩壊連鎖の一員

アスタチンのいくつかの同位体は、ウランやトリウムの崩壊連鎖において、ポロニウムやビスマスのベータ崩壊を経て現れます。例えば：

ウラン-235連鎖 (4n+3)：\(^{219}\mathrm{Rn}\)（アクチノン）はアルファ崩壊により\(^{215}\mathrm{Po}\)となり、さらにベータ崩壊（99.99977%）により\(^{215}\mathrm{At}\)（半減期0.10 ms）となり、ほぼ瞬時に崩壊します。
ウラン-238連鎖 (4n+2)：\(^{218}\mathrm{Po}\)（ラジウムA）はベータ崩壊（0.02%）により\(^{218}\mathrm{At}\)（半減期1.5秒）となります。

これらの同位体は極微量で生成され、非常に短い寿命のため蓄積することはできません。

宇宙線スパレーションによる生成

放射性崩壊以外にも、アスタチンは自然界でさらに微量に宇宙線スパレーションによって生成されます。高エネルギーの宇宙線が地殻中の鉛やビスマスなどの重い原子核に衝突すると、それらを破砕し、アスタチンを含むエキゾチックな原子核を生成することがあります。

重い原子核の安定性の研究対象

アスタチンは、周期表の中で原子核の安定性が非常に低い領域に位置しています。特に「魔法数」の中性子を持つ同位体（例えば、126個の中性子を持つ\(^{211}\mathrm{At}\)）の研究は、核物理学者が原子核の構造モデルを精密化し、重い原子核の安定性の限界を理解するのに役立ちます。

アスタチンの発見の歴史

"エカヨウ素"の予測と探索

アスタチンの存在は、ドミトリ・メンデレーエフが1869年に周期表を作成した際に予測されました。彼は仮の名前として"エカヨウ素"と名付け、ヨウ素より重いハロゲンであり、化学的性質は似ているが原子量が大きく、金属的性質を持つ可能性があると予測しました。この欠落元素の探索は、その極端な不安定性のため、数十年にわたり多くの化学者を動員しましたが、成功しませんでした。

コーソン、マッケンジー、セグレによる合成発見（1940年）

アスタチンは、1940年にカリフォルニア大学バークレー校の研究者チームであるデール・R・コーソン、ケネス・ロス・マッケンジー、エミリオ・セグレによって人工的に合成されました。彼らはバークレーの60インチサイクロトロンで加速されたアルファ粒子をビスマス-209標的に照射し、核反応によりアスタチン-211を生成しました：
\(^{209}\mathrm{Bi} + \alpha \, (^{4}\mathrm{He}) \rightarrow \,^{211}\mathrm{At} + 2n\)
彼らはその特徴的な放射能により同定し、当初は「アラバミン」（記号Ab）と名付けましたが、この名前は採用されませんでした。

自然界での存在確認と最終的な命名

第二次世界大戦後、1943年にベルタ・カーリクとトラウデ・ベルネルトは、ウランとトリウムの自然崩壊生成物中にアスタチンの痕跡（同位体 \(^{218}\mathrm{At}\) と \(^{219}\mathrm{At}\)）を検出することに成功し、自然界に極微量ながら存在することを確認しました。最終的な名前である"アスタチン"（ギリシャ語のastatos、αστατος、「不安定」を意味する）は、発見者によって提案され採用され、その最も顕著な性質を強調しています。

現代の生産

現在、アスタチンは完全に人工的に生産されており、主に粒子加速器（サイクロトロン）で生産されています。最も一般的な方法は次のとおりです：

ビスマス-209へのアルファ粒子照射：歴史的な方法であり、現在も使用されています。主に医学的に興味深いアスタチン-211を生成します。
トリウムまたはウラン標的への高エネルギープロトン照射（スパレーション）。
ラドンの中性子照射：あまり一般的ではありません。

世界的な生産量は極めて低く、年間数マイクログラムから数ミリグラム程度であり、主に専門の研究所（アメリカ、ロシア、ヨーロッパ、日本）で生産されています。そのコストは天文学的（1グラムあたり数百万ドル、もし1グラムを蓄積できたとしても）であり、従来の意味での「市場」は存在しません。

アスタチンの構造と基本的な性質

分類と原子構造

アスタチン（記号At、原子番号85）は、17族のハロゲンに属する元素です。この族にはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、テネシンが含まれ、アスタチンはその中で最も重く、最も放射性の強い元素です。その原子は85個の陽子と、同位体によって116から140個の中性子を持ちます。最もよく使用される同位体である\(^{211}\mathrm{At}\)は126個の中性子を持ちます。その電子配置は[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵で、7個の価電子（6s² 6p⁵）を持ちます。

仮説的で極端な物理的性質

アスタチンの不安定性と、これまでに生産された量が極めて少ない（これまでに合成された元素状態のアスタチンは100万分の1グラム未満と推定される）ため、その物理的性質のほとんどは巨視的な試料で直接測定されたことがありません。これらは理論的計算、ハロゲン群の傾向の外挿、および微量研究から推定されています。

物理的状態：室温で金属様または金属の固体であると予測されています。これはヨウ素が分子固体であるのとは対照的です。黒い金属光沢を持つ可能性があります。
融点と沸点：それぞれ約302°Cと337°Cと推定されています（非常に不確実な値）。
強い放射能：すべての同位体が放射性です。アスタチン-211は5.87 MeVのアルファ粒子（100%）を放出し、半減期は7.214時間です。
崩壊熱：ポロニウムと同様に、巨視的な量は非常に高温になり、放射線分解により自己破壊します。

変態点（推定）

推定融点：〜575 K（〜302 °C）。
推定沸点：〜610 K（〜337 °C）。

化学的反応性（推定）

化学的には、アスタチンはハロゲンとして振る舞うと予想されますが、その重さと相対論的効果により、顕著な違いがあります。アスタチンはハロゲンの中で最も反応性が低いと予想され、金属的性質（カチオンAt⁺を形成する傾向）を示すと考えられています。その可能な酸化状態は-1から+7まで及び、-1、+1、+3、+5、+7が妥当です。

主な特性（推定および確認済み）

原子番号：85。
族：17（ハロゲン）。
電子配置：[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵。
物理的状態（20°C）：固体（予測）。
放射能：すべての同位体が放射性。
医学的に重要な同位体：\(^{211}\mathrm{At}\)（半減期7.2時間、α放出体）。

アスタチンの同位体表（主なもの）

アスタチンの同位体（基本的な性質）
同位体 / 表記	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	生成 / 存在	半減期 / 崩壊モード	備考 / 应用
アスタチン-210 — \(^{210}\mathrm{At}\)	85	125	209.987148 u	合成 / 天然微量	8.1時間 (α, 99.8%; CE, 0.2%)	最も長い半減期の同位体（しかし、\(^{211}\mathrm{At}\)より純粋なα放出体ではない）。
アスタチン-211 — \(^{211}\mathrm{At}\)	85	126	210.987496 u	合成 (α on Bi-209)	7.214時間 (α, 100%)	最も重要な同位体。純粋な高エネルギーα放出体（5.87 MeV）。医学（治療）に理想的な半減期。研究の主要な対象。
アスタチン-217 — \(^{217}\mathrm{At}\)	85	132	216.992420 u	\(^{225}\mathrm{Ac}\)の崩壊連鎖で生成	32.3 ms (α, 99.99%)	アクチニウム-225の崩壊生成物で、標的α線治療（TAT）に使用される。その連鎖は3つのα粒子を生成する。
アスタチン-218 — \(^{218}\mathrm{At}\)	85	133	217.995350 u	天然微量 (U-238連鎖)	1.5秒 (α, 99.9%; β⁻, 0.1%)	非常に短寿命の天然同位体。
アスタチン-219 — \(^{219}\mathrm{At}\)	85	134	218.996590 u	天然微量 (U-235連鎖)	56秒 (α, 97%; β⁻, 3%)	天然同位体で、天然アスタチンの中で最も長い半減期を持つ。

アスタチンの電子配置と電子殻

注記：
電子殻：原子核の周りに電子がどのように配置されているか。

アスタチンは85個の電子を持ち、6つの電子殻に分布しています。その電子配置[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵は、第6殻に7個の価電子（s² p⁵）を持ち、ハロゲンに特徴的な配置です。これはK(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(7)とも表記でき、完全には1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵となります。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：2個の電子 (1s²)。
L殻 (n=2)：8個の電子 (2s² 2p⁶)。
M殻 (n=3)：18個の電子 (3s² 3p⁶ 3d¹⁰)。
N殻 (n=4)：32個の電子 (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴)。
O殻 (n=5)：18個の電子 (5s² 5p⁶ 5d¹⁰)。
P殻 (n=6)：7個の電子 (6s² 6p⁵)。

価電子と酸化状態

アスタチンは7個の価電子（6s² 6p⁵）を持ちます。他のハロゲンと同様に、安定な希ガス（ラドン）の電子配置を得るために電子を1個獲得し、アスタチン化物イオン (At⁻)を形成します。これが最も安定な酸化状態-1です。しかし、その大きな原子サイズと相対論的効果により、アスタチンは正の酸化状態で存在する強い傾向を示します。これは軽いハロゲンとは異なります。+1 (At⁺)、+3 (AtO⁻またはAt³⁺)、+5 (AtO₃⁻)、+7 (AtO₄⁻)の状態が可能であり、微量化合物で観察されています。この化学は、塩素や臭素よりもヨウ素に似ています。

アスタチンの化学的反応性（微量研究）

原子レベルで研究される化学

アスタチンの化学は、目に見える試料で研究されたことはありません。微量放射化学の手法を用いて研究されています。アスタチンの放射能で標識された数個の原子または分子の挙動を、超希薄溶液中で追跡します。これにより、分配係数、酸化還元電位、またはさまざまな錯体の安定性などの性質を決定することができます。

ハロゲンとしての挙動と金属様の傾向

研究により、アスタチンがハロゲンとして振る舞うことが確認されています：

ハロゲン間化合物（例：AtI、AtBr）を形成します。
他のハロゲンと同様に、有機溶媒で抽出できます。
ヨウ化銀（AgI）と共沈します。

しかし、違いも示します：

ヨウ素よりも還元されやすい（標準電位At/At⁻はI₂/I⁻より低い）。
金属構造への親和性を示し、金属的性質を示唆します。
加水分解の傾向と、オキシアニオン（アスタチン酸イオン、AtO⁻）の形成がより顕著です。

研究された化合物（微量）

元素状態のアスタチン (At₂)：二原子分子At₂は予測されていますが、単離されたことはありません。
アスタチン化水素酸 (HAt)：強酸であると予測されていますが、非常に不安定（At⁰とH₂に分解する）。
アスタチン化物塩 (At⁻塩)：NaAtやAgAt（AgIの類似体）。
オキシアニオン：アスタチン酸イオン (AtO⁻)、アスタチン酸イオン (AtO₃⁻)、過アスタチン酸イオン (AtO₄⁻)。
有機アスタチン化合物：医学的に重要。メチルアスタチン (CH₃At) やアスタチンベンゼンなどの分子が微量で調製され、その生物学的挙動が研究されています。

アスタチンの応用：ほぼ医学のみ

アスタチン-211による標的アルファ線治療 (TAT)

これは最も有望で、事実上唯一の応用です。アスタチン-211は純粋なアルファ線放出体であり、標的内部放射線療法に理想的です：

局所的なエネルギー沈着：アルファ粒子（5.87 MeV）は組織内での飛程が非常に短く（50-80 µm、すなわち数個の細胞直径）、そのエネルギーを微小な球体内にすべて沈着させ、標的細胞を非常に高い相対的生物学的効果（RBE）で破壊し、周囲の健康な細胞を温存します。
最適な半減期：7.2時間。化学合成、精製、ベクターへの結合、患者への投与を行うのに十分な長さであり、患者と操作者の被曝を制限し、治療後に活性が迅速に消失するのに十分な短さです。
寄生的ガンマ線放出の欠如：他のアルファ線放出体（例：\(^{225}\mathrm{Ac}\)）とは異なり、\(^{211}\mathrm{At}\)は有意なガンマ線を放出しないため、放射線防護が簡素化され、非標的組織への線量が低減されます。

標的化の課題：バイオコンジュゲート

アスタチン-211を腫瘍に導くためには、がん細胞を特異的に認識するベクターモレキュールに共有結合かつ安定的に結合させる必要があります。これらのバイオコンジュゲートは、At-C結合（炭素-アスタチン結合）が比較的弱く、脱アスタチン化（アスタチン原子の喪失）に敏感であるため、大きな化学的課題です。研究されているベクターには以下が含まれます：

モノクローナル抗体 (mAbs)：非常に特異的ですが、大きい（循環が遅い）。
小分子：PSMA阻害剤（前立腺がん用）やペプチドなど。
ナノ粒子：受動的標的化のため。

臨床研究の分野

\(^{211}\mathrm{At}\)を用いた前臨床および臨床試験（フェーズI/II）は以下に焦点を当てています：

白血病（特に急性骨髄性白血病）。
前立腺がん（PSMA経由）。
卵巣がんと膠芽腫。
新生物性髄膜炎（直接髄腔内注射）。

予備的な結果は有望であり、抗腫瘍効果と限定的な毒性が示されています。

その他の応用（非常に限定的）

基礎研究：超重元素の性質や原子核構造を研究するための放射化学および核物理学。
トレーサー：ハロゲン化学におけるメカニズム研究（微量スケール）。

アスタチンの毒性学、放射線防護、危険性

極端な放射性毒性（ポロニウムと同様）

アスタチン-211はポロニウム-210と同様に、取り込み時の極端な放射性毒性を持ち、これは高エネルギーのアルファ線放出によるものです。その危険性は一部の点でさらに高くなります：

甲状腺親和性：ハロゲンとして、アスタチンは化学的にヨウ素と類似しており、甲状腺に蓄積する強い傾向があります。わずかな取り込みでも、この重要な器官に強力で破壊的なアルファ線照射を引き起こします。
一般的な分布：他の化学形態では、肝臓、脾臓、肺に分布します。
より短い半減期：比放射能は\(^{210}\mathrm{Po}\)よりもさらに高く、計量可能な量をさらに危険にします。

取り扱いと放射線防護

アスタチン-211の取り扱いは、高度な安全性を持つ研究室（P3レベル）でのみ行われ、制御された雰囲気（窒素またはアルゴン）下の密閉グローブボックスを備えています。アルファ線放出からの防護は簡単（手袋、ボックス）ですが、取り込み（蒸気の吸入、摂取、皮膚接触）の防止が最も重要です。すべての操作は、微小な体積でギガベクレル（GBq）オーダーの放射能を扱うように設計されています。

汚染時の処置

特異的な解毒剤は存在しません。予防が唯一の有効な戦略です。汚染が疑われる場合、緊急措置（除染、排泄物の監視）および安定ヨウ素の投与（甲状腺を飽和させ、アスタチンの取り込みを制限する）が検討される可能性がありますが、その有効性は証明されていません。

アスタチンの管理、規制、将来展望

厳格な管理

ポロニウムやその他のカテゴリー1放射性物質と同様に、アスタチン-211は、核安全とセキュリティに関するIAEAの最も厳格な規制の対象となっています。その輸送は厳しく規制されており（放射性物質のADR/RID規則）、世界中でごく一部の研究所のみが生産と取り扱いを許可されています。

生産と供給：ボトルネック

アスタチン-211療法の開発における最大の障壁は、その限られた生産です。これは中エネルギーのサイクロトロン（〜30 MeV）とビスマス標的への照射に専用のビームラインを必要とします。アスタチンを溶融ビスマス（蒸留法）または溶液から化学的に分離することは複雑であり、迅速に行う必要があります。より効率的な生産方法と、生産後数時間以内に病院へ同位体を配送するロジスティクスの開発は、現在進行中の研究分野です。