最終更新：2025年12月15日

クリプトン (36)：スペクトル光を持つ貴ガス

クリプトンの発見の歴史

クリプトンは1898年5月30日、イギリスの化学者ウィリアム・ラムゼー (1852-1916) と モーリス・トラバース (1872-1961) によってロンドン大学ユニバーシティ・カレッジで発見されました。この発見は、ラムゼーによる一連の貴ガスの同定の一部であり、彼は1894年にレイリー卿と共にアルゴンを、1895年に地球上のヘリウムを発見していました。

ラムゼーとトラバースは、液体空気の分留技術を用いて大気中の新しい元素を系統的に探索していました。アルゴンを単離した後、彼らは大気中に他の不活性ガスが存在する可能性を疑い、液体空気をゆっくりと蒸発させ、分光法で異なる成分を分析することで、1898年5月にネオンとクリプトンを発見し、数週間後にキセノンを発見しました。

クリプトンは、特に強い緑色と黄橙色の明るい線を示す特徴的な発光スペクトルによって同定されました。ラムゼーとトラバースは、地球の大気中で検出が困難であることにちなんで、ギリシャ語のkryptos（隠された）からkrypton（クリプトン）と名付けました。クリプトンは大気中で体積比で100万分の1しか存在しません。

クリプトンの発見は、ネオンとキセノンの発見とともに、メンデレーエフの周期表における貴ガスのグループを完成させ、化学的性質の周期性を確認しました。ウィリアム・ラムゼーは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンの発見を含む貴ガスに関する研究により、1904年にノーベル化学賞を受賞しました。

1960年、クリプトンは計測学的に重要な役割を果たし、クリプトン-86のオレンジ色の線の波長が、国際度量衡局の白金イリジウム合金の棒に代わる新しいメートルの定義として選ばれました。この定義は1983年まで有効で、その後、メートルは光速に基づいて再定義されました。

構造と基本的な性質

クリプトン（記号 Kr、原子番号 36）は、周期表の18族に属する貴ガスです。その原子は36個の陽子、通常48個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{84}\mathrm{Kr}\)）、および36個の電子を持ち、電子配置は [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ です。

クリプトンは通常の条件下で無色、無臭、無味の単原子ガスです。空気の約3倍の密度があり、0 °C、1気圧で3.749 g/Lの密度を持ちます。この高密度により、クリプトンは一般的な大気ガスよりも重くなります。

すべての貴ガスと同様に、クリプトンは完全に満たされた外殻電子（安定したオクテット構造）を持っており、通常の条件下では例外的な化学的安定性とほとんど反応性がありません。この飽和した電子構造が、クリプトンが分子ではなく単独の原子として自然に存在する理由です。

クリプトンは通常の大気圧下で-153.4 °C（119.8 K）で液化し、-157.4 °C（115.8 K）で固化します。液体クリプトンは無色透明で、固体クリプトンは面心立方構造の結晶を形成し、これは固化した貴ガスに特徴的です。

クリプトンの液化点：119.8 K (-153.4 °C)。
クリプトンの固化点：115.8 K (-157.4 °C)。
クリプトンの臨界点：209.4 K (-63.8 °C)、55.0 bar。

クリプトンの同位体表

クリプトンの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
クリプトン-78 — \(\,^{78}\mathrm{Kr}\,\)	36	42	77.920365 u	≈ 0.355 %	安定	天然のクリプトンの中で最も軽い安定同位体で、安定同位体の中で最も希少。
クリプトン-80 — \(\,^{80}\mathrm{Kr}\,\)	36	44	79.916378 u	≈ 2.286 %	安定	天然のクリプトンの中で2番目に希少な安定同位体。
クリプトン-82 — \(\,^{82}\mathrm{Kr}\,\)	36	46	81.913484 u	≈ 11.593 %	安定	天然のクリプトンの中で3番目に豊富な安定同位体。
クリプトン-83 — \(\,^{83}\mathrm{Kr}\,\)	36	47	82.914136 u	≈ 11.500 %	安定	核スピンを持ち、NMR分光法や医療画像に使用される。
クリプトン-84 — \(\,^{84}\mathrm{Kr}\,\)	36	48	83.911507 u	≈ 56.987 %	安定	クリプトンの中で最も豊富な同位体で、天然のクリプトンの半分以上を占める。
クリプトン-86 — \(\,^{86}\mathrm{Kr}\,\)	36	50	85.910610 u	≈ 17.279 %	安定	歴史的に（1960-1983年）オレンジ色の発光線を用いてメートルの定義に使用された。
クリプトン-81 — \(\,^{81}\mathrm{Kr}\,\)	36	45	80.916592 u	微量	≈ 229,000年	放射性（電子捕獲）。宇宙線によって生成され、古代の地下水の年代測定に使用される。
クリプトン-85 — \(\,^{85}\mathrm{Kr}\,\)	36	49	84.912527 u	合成	≈ 10.76年	放射性（β⁻）。核分裂生成物で、トレーサーや漏れ検出器に使用される。

電子配置とクリプトンの電子殻

注記：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

クリプトンは36個の電子を持ち、これらは4つの電子殻に分布しています。完全な電子配置は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ で、簡略化すると [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ となります。この配置は K(2) L(8) M(18) N(8) と書くこともできます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s 軌道に2個の電子を含み、この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶ に8個の電子が分布し、この殻も完全で貴ガス（ネオン）の配置を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰ に18個の電子が分布し、この殻は完全に満たされており、d軌道も完全です。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ に8個の電子が分布し、この完全な外殻がクリプトンに例外的な安定性を与えます。

化学的安定性と希少な化合物

クリプトンの電子配置は、完全に飽和した価電子殻（完全なオクテット）を持ち、その顕著な化学的不活性を説明します。長い間、貴ガスは完全に不活性で化学化合物を形成できないと考えられていました。

しかし、1962年にイギリスの化学者ニール・バートレットが最初のキセノン化合物を合成し、この概念を革命的に変えました。この発見は、重い貴ガスの化学への道を開きました。クリプトンはキセノンよりもイオン化エネルギーが高いため反応性は低いですが、極端な条件下でいくつかのクリプトン化合物が合成されています。

クリプトン二フッ化物（KrF₂）は、1963年に合成された最初の安定なクリプトン化合物です。この白色固体は、低温でクリプトンとフッ素の混合物を照射することによって形成されます。KrF₂は非常に強力な酸化剤ですが、室温では不安定で、ゆっくりとクリプトンとフッ素に分解します。

KrF⁺やKr₂F₃⁺のようなイオンや、クリプトン分子が水分子の籠（クリプトンハイドレート）や他のホスト構造に物理的に閉じ込められたクラスレートも特徴付けられています。これらのクラスレートは真の化学化合物ではなく、ファンデルワールス力によって維持される包接複合体です。

クリプトンは、放電や照射の下で水素や窒素とメタ安定化合物を形成することもできますが、これらの種は極めて不安定で、非常に低い温度または非常に短い期間しか存在しません。

分光学的性質とルミネセンス

クリプトンは電気放電によって励起されると、特に強い緑色の線（557.0 nm）、黄緑色の線（587.1 nm）、オレンジ色の線（605.6 nmおよび645.6 nm）を含む、非常に豊かで複雑な発光スペクトルを示します。

クリプトン-86の605.78 nmのオレンジ色の線（2p10と5d5レベル間の遷移）は、非常に狭いスペクトル幅を持ち、1960年から1983年までのメートルの定義に理想的な選択肢となりました。1メートルは、この放射の真空中での1,650,763.73波長として定義され、当時としては類を見ない精度でした。

励起されたクリプトンは、強い緑色成分を持つ明るい白色光を放出し、優れた色再現性を持つ高品質の照明を生成します。この性質は、プロフェッショナル照明、写真、プロジェクターに使用されるクリプトンガス放電ランプで利用されています。

クリプトンは、特定のドープ材料における蛍光およびリン光現象にも関与します。クリプトンエキシマー化合物（励起二量体Kr₂*）は紫外線を放出し、リソグラフィーや眼科手術に使用される特定のエキシマーレーザーに使用されます。

クリプトンの産業および技術的応用

フィラメントの寿命を延ばすための高性能白熱電球;
プロフェッショナル照明や映画上映に使用される高強度放電ランプ（HID）;
強力で短時間の白色光を生成するための写真用フラッシュ;
高性能断熱窓（クリプトン充填の二重および三重ガラス）;
UVリソグラフィー、屈折手術、材料加工のためのエキシマーレーザー（KrF 248 nm）;
航空宇宙およびダイビングスーツにおける熱絶縁ガス;
高エネルギー物理学における粒子検出器（ドリフトチェンバー、TPC）;
肺のイメージングのためのハイパーポラライズクリプトン-83を使用した磁気共鳴画像法（MRI）;
密閉システムやパイプラインの漏れ検出のための放射性トレーサー（クリプトン-85）;
古代の地下水の年代測定のための放射年代測定;
性能向上のための陰極線管およびプラズマディスプレイ;
計測学および分光学における基準光源;
衛星および宇宙探査機のための特定のイオン推進システム;
実験用原子炉における加圧剤;
不活性液体を必要とする特定の専門的な応用のための低温工学;
超高純度液体クリプトン検出器を使用した暗黒物質の基礎研究。

天体物理学および宇宙論における役割

クリプトンは、いくつかの恒星核合成プロセスによって星で合成されます。クリプトンの同位体は主に、タイプII超新星におけるケイ素の燃焼、およびsプロセス（遅い中性子捕獲）とrプロセス（速い中性子捕獲）によって生成されます。クリプトンの6つの安定同位体は、これらの異なる核合成プロセスの寄与を反映しています。

クリプトンの宇宙存在量は、原子数で水素の約5×10⁻⁹倍であり、キセノンに次いで最も希少な貴ガスの一つです。この相対的な希少性は、原子質量領域（A ≈ 78-86）での核合成の困難さと、核安定性曲線における鉄のピークを超えたクリプトンの位置によって説明されます。

クリプトンは、核合成と宇宙の化学進化の研究において重要な役割を果たします。原始隕石、太陽系前の粒子、鉱物に閉じ込められた貴ガスにおけるクリプトンの同位体比は、初期の太陽系の条件と、その形成に寄与した異なる恒星集団に関する貴重な情報を提供します。

隕石の特定の難揮発性包有物におけるクリプトンの同位体異常が発見されており、太陽星雲の崩壊前に異なる恒星環境で形成された成分の存在を示唆しています。宇宙線によって生成されるクリプトン-81は、隕石の宇宙線曝露イベントの年代測定と、星間空間におけるその歴史の追跡に使用されます。

イオン化クリプトン（Kr II、Kr III、Kr IV）のスペクトル線は、B型およびA型の一部の高温星、惑星状星雲、超新星残骸のスペクトルで観測されています。これらの線の分析により、これらの天体物理オブジェクトの物理的条件（温度、密度、イオン化）を研究することができます。

注記：
クリプトンは地球の大気中に体積比で約1.14 ppm（0.000114%）の濃度で存在し、大気中の希ガスの一つです。この一見低い濃度は、地球の大気全体で約150億トンのクリプトンに相当します。

クリプトンは、20世紀初頭に開発された液体空気の分留によって工業的に抽出されます。空気はまず圧縮と冷却によって液化され、その後、各成分は沸点に応じて分離されます。クリプトンは、酸素とキセノンの間の沸点を持ち、濃縮された画分で単離され、さらに精製されます。

世界のクリプトン生産量は比較的控えめで、年間約8〜10トンであり、主にウクライナ、ポーランド、アメリカ、アイスランド、中国で生産されています。クリプトンは、大気中の希少性と抽出および精製に必要な複雑なプロセスのため、最も高価な工業用ガスの一つです。高純度クリプトンの価格は、1キログラムあたり数千ユーロに達することがあります。

原子炉での核分裂によって生成される放射性同位体クリプトン-85は、核時代の開始以来、地球の大気中に徐々に蓄積しています。その大気中濃度は1950年以来100倍以上に増加していますが、依然として極めて低い（約1.5 Bq/m³）です。クリプトン-85は主に使用済み核燃料の再処理中に放出され、地球規模の大気循環を研究するための有用なトレーサーです。

クリプトンは完全な化学的不活性のため、毒性学的リスクはありません。しかし、すべての不活性ガスと同様に、閉鎖空間で酸素を置換することにより窒息を引き起こす可能性があります。-153 °Cの液体クリプトンは、通常の低温リスク（凍傷、材料の脆化）を伴います。

ハイパーポラライズクリプトン-83は、医療画像における最近の革新であり、MRIによる肺の詳細な視覚化を可能にします。この技術は、イオン化放射線への曝露を避ける利点を持つ、肺疾患の診断のためのX線画像の有望な代替手段を提供します。