ポロニウムは、超新星や中性子星の合体などの爆発的なイベントにおいて、rプロセス（急速な中性子捕獲）によってのみ生成される重い元素です。すべての同位体が放射性であり、比較的短い半減期（最も長い\(^{209}\mathrm{Po}\)でも125.2年）のため、宇宙にはほとんど原始のポロニウムが存在しません。太陽系形成時に存在したポロニウムはすでに崩壊しています。現在地球上で見つかるポロニウムは、人工的なものか、自然の放射性崩壊系列におけるウランとトリウムの崩壊によって生成されたものです。
ポロニウムのいくつかの同位体は、4つの原始放射性崩壊系列の中間生成物として現れます：
これらの非常に短命な同位体は、ウランやトリウムを含む鉱物中で絶えず生成され消滅し、自然放射能に寄与しています。\(^{210}\mathrm{Po}\) (ラジウムF) は半減期138.376日で、ウラン-238系列の中で最も長寿命のメンバーであり、測定可能な量まで蓄積することがあります。
\(^{210}\mathrm{Po}\) は地球科学において自然のトレーサーとして使用されます。大気中のラドン-222（ガス）の崩壊によって生成され、陸地や海洋の表面に沈着します。その親核種であるより長寿命の \(^{210}\mathrm{Pb}\) (半減期22.3年) との比率により、最近の海洋堆積物（数百年単位）の年代測定、海洋混合プロセス、生物生産性、大気中の粒子輸送の研究が可能になります。
ポロニウムは、その発見者であるマリー・キュリーとピエール・キュリーによって、1898年にマリーの祖国ポーランドにちなんで命名されました（当時、ポーランドはロシア帝国、オーストリア＝ハンガリー帝国、プロイセンの間で分割されていました）。これは愛国的かつ政治的な行為であり、当時地図から消えていたポーランドの独立運動に注目を集めることを目的としていました。ポロニウムは国にちなんで命名された最初の元素です。
マリー・キュリーは、ウラン鉱石であるピッチブレンドの放射能を研究中、その放射能がウランの含有量だけでは説明できないほど高いことに気づきました。彼女と夫のピエールは、何トンもの鉱石の化学的精製という膨大な作業を開始しました。1898年7月、彼らは新元素の発見を発表し、ポロニウムと命名しました。ポロニウムは強い放射能とビスマスとの化学的類似性によって特徴づけられました。数か月後、彼らはさらに放射能の強いラジウムを発見します。これらの発見により、1903年にアンリ・ベクレルと共にノーベル物理学賞を受賞しました。
ポロニウムを計量可能な量で単離することは、その低い存在量と強い放射能のため、極めて困難でした。何年もの鉱石処理を経て、ようやく純粋なポロニウム塩の微量が得られました。ポロニウムのスペクトルの最初の観測は1910年に行われました。グラム単位の生産は、原子炉の開発によって初めて可能になりました。
現在、ポロニウム-210は主に2つの方法で人工的に生産されています：
世界の生産量は非常に少なく、年間数百グラム程度で、主にロシアで生産されています。そのコストは極めて高く（高純度の\(^{210}\mathrm{Po}\)は1グラムあたり数十万ドル）、生産と分離の複雑さと関連するリスクのためです。
ポロニウム（記号Po、原子番号84）は、周期表の16族（酸素族またはカルコゲン）に位置する後遷移金属で、酸素、硫黄、セレン、テルル、リバモリウムとともに分類されます。ポロニウムはこのグループで唯一の金属（室温で）です。その原子は84個の陽子と、同位体によって122から136個の中性子を持ちます。同位体\(^{210}\mathrm{Po}\)は126個の中性子を持ちます。その電子配置は[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴で、6個の価電子（6s² 6p⁴）を持ちます。
ポロニウムは銀灰色の柔らかい金属で、化学的にはテルルやビスマスに似ています。
強い放射能はその結晶構造を迅速に損傷し、自己照射を引き起こします。
ポロニウムは254 °C（527 K）で融解し、962 °C（1235 K）で沸騰します。崩壊熱はこれらの測定値を巨視的な試料で歪める可能性があります。
化学的には、ポロニウムはテルルに似た反応性の高い金属です。酸に溶けてPo(IV)（ピンク色）の溶液を形成し、空気中で容易に酸化します。酸化数-2、+2、+4、+6の化合物を形成し、+4が最も安定です。その化合物はしばしば着色しています（例：PoCl₄は黄色、PoBr₄は赤色）。しかし、強い放射能のため、その化学の研究は極めて困難かつ危険です。
密度 (α-Po): 9.32 g/cm³。
融点: 527 K (254 °C)。
沸点: 1235 K (962 °C)。
結晶構造 (α): 単純立方（元素中で唯一）。
電子配置: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴。
主な酸化状態: +4。
| 同位体 / 表記 | 陽子 (Z) | 中性子 (N) | 原子質量 (u) | 天然存在比 | 半減期 / 崩壊モード | 備考 / 応用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ポロニウム-208 — \(^{208}\mathrm{Po}\) | 84 | 124 | 207.981246 u | 微量（放射性起源） | 2.898年 (α) | 中寿命の同位体で、トリウム系列に存在。人工的に生産可能。 |
| ポロニウム-209 — \(^{209}\mathrm{Po}\) | 84 | 125 | 208.982430 u | 微量（放射性起源） | 125.2年 (α, 99.99%; CE, 0.001%) | 最も長い自然半減期を持つ同位体。主に\(^{213}\mathrm{Bi}\)のα崩壊によって生成。 |
| ポロニウム-210 — \(^{210}\mathrm{Po}\) | 84 | 126 | 209.982874 u | 微量（放射性起源） | 138.376日 (α) | 最も重要でよく知られた同位体。強いアルファ放射能（5.3 MeV）。帯電防止源、熱電発電機、悲しいことに毒物としても使用。\(^{209}\mathrm{Bi}\)の中性子照射によって生産。 |
N.B.:
電子殻: 原子核の周りの電子の配置。
ポロニウムは84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 6p⁴は、6番目の殻に6個の価電子（s² p⁴）を持ちます。これはK(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(6)とも表記でき、完全な形式では1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴となります。
K殻 (n=1): 2電子 (1s²)。
L殻 (n=2): 8電子 (2s² 2p⁶)。
M殻 (n=3): 18電子 (3s² 3p⁶ 3d¹⁰)。
N殻 (n=4): 32電子 (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴)。
O殻 (n=5): 18電子 (5s² 5p⁶ 5d¹⁰)。
P殻 (n=6): 6電子 (6s² 6p⁴)。
ポロニウムは6個の価電子（6s² 6p⁴）を持ちます。その化学はテルルに似ていますが、不活性電子対効果の影響で低い酸化状態に傾く傾向があります。主な酸化状態は以下の通りです：
ポロニウムの化学は、その取り扱いに伴う極めて高い危険性のため、ほとんど研究されていません。
ポロニウム金属は空気中で迅速に酸化し、二酸化ポロニウム (PoO₂)という黄色の固体を形成します。空気中で加熱すると、混合酸化物を形成することがあります。
ポロニウムの化合物はごくわずかしか調製・研究されておらず、常に微量で極めて注意深く扱われています。
高エネルギーのアルファ粒子（\(^{210}\mathrm{Po}\)のような）がベリリウム-9の原子核に衝突すると、核反応が起こります：\(^9\mathrm{Be} + \alpha \rightarrow \,^{12}\mathrm{C} + n\)。この反応により中性子が生成されます。ポロニウム-ベリリウム (Po-Be)源は、携帯可能な中性子源として使用されていました：
しかし、\(^{210}\mathrm{Po}\)の半減期が短い（138日）ため、これらの源は実用的ではなく、頻繁な交換が必要でした。現在はアメリカニウム-241やカリホルニウム-252を使用した源に広く置き換えられています。
\(^{210}\mathrm{Po}\)の強い崩壊は大量の熱（140 W/g）を放出します。この熱は熱電対（ゼーベック効果）を用いて電気に変換できます。ポロニウム-210は、ソビエト連邦の初期のRTGの一部で、遠隔地の装置（ブイ、気象ステーション）に電力を供給するために使用されました。しかし、その短い半減期により、出力は急速に低下しました。長期の宇宙ミッションでは、半減期87.7年のプルトニウム-238に置き換えられました。
ポロニウム-210は、既知の物質の中で最も有毒なものの一つです。その危険性は以下の要因に由来します：
ヒトにおける経口致死中央量 (LD50)は、わずか1マイクログラム (1 µg)の\(^{210}\mathrm{Po}\)と推定され、これは約11 GBqの放射能に相当します。
急性中毒（リトビネンコ事件のような）の症状は数日後に現れ、以下を含みます：
検出の困難さ: ポロニウム-210は有意なガンマ線を放出しません（崩壊の0.001%で803 keVの弱いガンマ線のみ）。直接検出には特別なアルファ線検出器または排泄物（尿、糞便）の放射能測定が必要です。診断はしばしば遅れます。
限られた治療法: 特異的な解毒剤は存在しません。治療は対症療法（輸血、成長因子、抗生物質）であり、ポロニウムの排出を目的とします：
ポロニウム-210は、崩壊系列のため、土壌、水、空気中に微量存在します。より高い濃度はウラン鉱石、リン酸肥料（ウランを含む）、そして…タバコの煙に見られます。タバコ検出は土壌や肥料中のポロニウムを吸収し、葉に濃縮されます。喫煙は、喫煙者にとって\(^{210}\mathrm{Po}\)への内部被曝の重要な源となります。
その極めて高い毒性と悪用の可能性から、ポロニウム-210は非常に厳しい国際的な管理下に置かれています。国際原子力機関（IAEA）によってカテゴリー1の放射性物質（最も危険）に分類されています。その取引、輸送、使用は厳重に監視されています。取り扱いが許可された施設は、例外的に高い核安全基準とセキュリティ基準を遵守しなければなりません。
ポロニウムを含む廃棄物は、138日の半減期を考慮し、長期的な閉じ込めを確保するように処理されなければなりません。適切な容器での数年の保管後、放射能は大幅に低下します。その後、廃棄物は他の中低レベルの短寿命放射性廃棄物と同様に管理されます。
ポロニウムの民間応用は現在非常に限られており、減少傾向にあります。より安全または実用的な他の放射性同位体（Am-241、Pu-238、Cf-252）に置き換えられています。その主な関心事は以下の通りです：
ポロニウムは、マリー・キュリーの天才と勇気、そしてその致死的な毒性の暗い影と永遠に結びつけられるでしょう。
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