最終更新：2025年12月30日

プロメチウム (61)：幻の希土類元素

天体物理学と宇宙論におけるプロメチウムの役割

自然界における不在と核不安定性

プロメチウムは、すべての同位体が核安定性曲線上の不安定性の谷に位置するため、安定同位体を持たない唯一の希土類元素です。他のランタノイドとは異なり、プロメチウムは地球上に検出可能な量で自然に存在しません。太陽系が46億年前に形成されて以来、原始的な痕跡は完全に消失しています。最も安定な同位体であるPm-145の半減期はわずか17.7年であり、地質学的な時間スケールで生存するには不十分です。

一過性の恒星合成

プロメチウムは、s過程（遅い中性子捕獲）およびr過程（速い中性子捕獲）によって恒星内で一過性に合成されます。漸近巨星分枝（AGB）星では、s過程によってプロメチウムが放射性の中間体として生成され、星間物質に放出される前に安定したサマリウムに速やかに崩壊します。超新星や中性子星の合体では、r過程によって大量のプロメチウムが生成されますが、これも数十年でサマリウムに崩壊します。

新星および超新星における分光検出

プロメチウムのスペクトル線は、いくつかの最近の新星および超新星のスペクトルで検出されており、これらの破局的なイベントでの合成が確認されています。超新星1987Aの分光観測では、爆発後の数年間にプロメチウムの可能性のあるシグネチャーが明らかになりました。これらの検出は非常に困難です。プロメチウムは速やかに希釈され崩壊するため、スペクトル線は一過性で弱いものになります。星の放出物中のプロメチウムの観測は、爆発的な元素合成の時間スケールに関する貴重な制約を提供します。

宇宙的な不在とその意味

太陽系および星間物質中にプロメチウムが全く存在しないことは、太陽系星雲を豊かにした最後のイベントの元素合成と太陽系の形成の間の時間間隔が数世紀を大幅に超えていたことを確認しています。もし太陽系が豊かにする超新星の直後に形成されていた場合、原始的な隕石にプロメチウムの痕跡が残っていた可能性があります。観測された不在は、最終的な元素合成と原始太陽系星雲の崩壊の間に少なくとも数千年の遅延があったことを示唆しています。

プロメチウムの発見の歴史

語源とメンデレーエフの予測

プロメチウムは、ギリシャ神話のタイタン、プロメテウスにちなんで名付けられました。プロメテウスは神々から火を盗み、人間に与えたとされ、この放射性元素の獲得の難しさと潜在的な危険性を象徴しています。原子番号61の元素の存在は、1871年にドミトリ・メンデレーエフによって周期表の分類で予測され、ネオジム（60）とサマリウム（62）の間に空白があることが特定されました。メンデレーエフは、この仮説的な元素を「エカネオジム」と系統的に命名しました。

誤った主張と論争

1902年から1945年の間に、少なくとも6つの研究グループが希土類鉱物中で元素61を発見したと主張し、さまざまな名前を提案しました：「フロレンチウム」（イタリア人、1924年）、「イリニウム」（アメリカ人、1926年）、「サイクロニウム」（アメリカ人、1938年）。これらの主張はすべて後に誤りであることが判明し、分光学的な誤同定や汚染によるものでした。元素61を自然源から分離できないことは、研究者にその放射性の性質を警告するべきであったが、完全に合成された元素の概念はまだ確立されていませんでした。

本物の発見と合成生産

プロメチウムの本物の発見は、1945年にテネシー州オークリッジ国立研究所のJacob A. Marinsky、Lawrence E. Glendenin、Charles D. Coryellによって行われました。マンハッタン計画の一環として、彼らは核分裂生成物からPm-147同位体を分離および同定しました。同定はX線分光分析と放射性崩壊の特性評価によって確認されました。

名称と記号の公式化

「プロメチウム」という名前と「Pm」の記号は、1949年に国際純正・応用化学連合（IUPAC）によって正式に採用されました。発見者たちは当初、元素の命名をためらっていました。プロメチウムはランタノイドの中で最初に完全に人工合成によって発見された元素となり、数年前に合成された超ウラン元素の先駆けとなりました。この発見は、周期表によって予測された一部の元素が地球上に自然に存在しない可能性があるという認識において重要なステップとなりました。

生産と入手可能性

プロメチウムは地球上に測定可能な量で自然に存在しません。ウラン鉱石中のウランの自発核分裂によって微量（1トンあたり10⁻¹⁹グラム未満）が生成されますが、これらの量は完全に無視できるものです。世界のプロメチウム生産は完全に合成されており、原子炉の核分裂生成物からの抽出によって得られます。世界の年間生産量は約100-200グラムのPm-147と推定され、主にアメリカとロシアで生産されています。

プロメチウムは、使用済み核燃料棒から溶媒抽出とイオン交換クロマトグラフィーの複雑なプロセスによって抽出されます。Pm-147は、数年間の冷却後に核分裂生成物の約2-3％を占めます。抽出には、高度に専門化された施設と放射線遮蔽および厳格な封じ込めが必要です。精製されたプロメチウムのコストは非常に高く、純度によって1グラムあたり1000から10,000ドルの範囲であり、代替手段のない高度に専門化された応用に限定されています。

プロメチウムのリサイクルは存在しません。使用される量が極めて少なく、プロメチウムを含む装置（発光源、センサー）は通常密閉されており、使用寿命が終わると放射性廃棄物として処理されるためです。回収は技術的には可能ですが、少量と放射性物質の取り扱いコストを考慮すると経済的に実現可能ではありません。

プロメチウムの構造と基本的な性質

分類と原子構造

プロメチウム（記号Pm、原子番号61）は、ランタノイド系列の5番目の元素であり、周期表のfブロックに属する希土類元素です。その原子は61個の陽子、通常86個の中性子（最も使用される同位体 \(\,^{147}\mathrm{Pm}\) の場合）、および61個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f⁵ 6s²です。

物理的性質と結晶構造

金属プロメチウムは微量しか生産されていないため、その物理的性質の正確な測定は限られています。利用可能なデータは主に、隣接するランタノイドからの外挿と数ミリグラムのサンプルに基づく測定から得られています。プロメチウムは光沢のある銀白色の金属で、空気中で速やかに酸化すると考えられています。室温では、ネオジムやサマリウムと同様に、六方最密充填（HCP）構造で結晶化すると推定されています。

変態点と伝導性

プロメチウムは約1042 °C（1315 K）で融解し、約3000 °C（3273 K）で沸騰すると推定されています。これはランタノイドの傾向に基づいた推定です。その密度は7.26 g/cm³と推定され、ランタノイド収縮と一致しています。プロメチウムは電気と熱の良導体であり、ランタノイドに典型的な金属特性を持つと考えられています。プロメチウムは室温で常磁性であり、その磁気特性は4f⁵構成によって決定されます。

放射能と放出

プロメチウムのすべての同位体は放射性です。最も使用される同位体Pm-147は、低エネルギーのベータ線（最大エネルギー224 keV、平均エネルギー62 keV）を放出し、顕著なガンマ線放出はありません。この純粋な低エネルギーベータ放出により、Pm-147は比較的安全な放射性源となります。ベータ線は数ミリメートルの物質で遮蔽できるため、重い遮蔽は必要ありません。Pm-147は安定したサマリウム-147に半減期2.62年で崩壊します。

熱特性と放射能（概要）

プロメチウムの融点：1315 K（1042 °C）[推定]。
プロメチウムの沸点：3273 K（3000 °C）[推定]。
プロメチウムのすべての同位体は放射性であり、Pm-147は低エネルギーベータ線を放出します（半減期2.62年）。

プロメチウムの同位体表

プロメチウムの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 表記	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	起源	半減期	崩壊 / 注記
プロメチウム-145 — \(\,^{145}\mathrm{Pm}\,\)	61	84	144.912749 u	合成	≈ 17.7年	放射性（EC、弱いα）。プロメチウムの最も安定した同位体ですが、地質学的な生存には半減期が不十分です。
プロメチウム-146 — \(\,^{146}\mathrm{Pm}\,\)	61	85	145.914696 u	合成	≈ 5.53年	放射性（EC、β⁻）。強いガンマ線を放出し、相当な遮蔽を必要とします。
プロメチウム-147 — \(\,^{147}\mathrm{Pm}\,\)	61	86	146.915138 u	合成	≈ 2.62年	放射性（β⁻）。最も使用される同位体で、低エネルギーの純ベータ放出体。主要な核分裂生成物。
プロメチウム-148 — \(\,^{148}\mathrm{Pm}\,\)	61	87	147.917475 u	合成	≈ 5.37日	放射性（β⁻）。半減期が短く、核研究で使用されます。
プロメチウム-149 — \(\,^{149}\mathrm{Pm}\,\)	61	88	148.918334 u	合成	≈ 53.08時間	放射性（β⁻）。重要な核分裂生成物で、中程度の半減期を持ちます。
プロメチウム-151 — \(\,^{151}\mathrm{Pm}\,\)	61	90	150.921207 u	合成	≈ 28.40時間	放射性（β⁻）。核分裂生成物で、放射性崩壊の研究に使用されます。

プロメチウムの電子配置と電子殻

注： :
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。

プロメチウムは61個の電子を6つの電子殻に分布させています。その電子配置は[Xe] 4f⁵ 6s²で、ランタノイドに典型的なものであり、4fサブシェルが徐々に満たされていきます。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(23) P(2)とも表記でき、完全には1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁵ 5s² 5p⁶ 6s²となります。

プロメチウムの殻構造の詳細

K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内部殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶として8個の電子を含みます。この殻も完全で、ネオンの貴ガス構成を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰として18個の電子を含みます。この完全な殻は電子遮蔽に寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰として18個の電子を含みます。この殻は安定した完全な構造を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f⁵ 5d⁰として23個の電子を含みます。5個の4f電子がプロメチウムの化学を特徴づけます。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含みます。これらの電子はプロメチウムの最外殻の価電子です。

プロメチウムの価電子と酸化状態

プロメチウムは実際に7個の価電子を持ちます：5個の4f⁵電子と2個の6s²電子。ほぼ排他的な酸化状態は+3であり、これはすべてのランタノイドに共通の特徴で、プロメチウムは2個の6s電子と1個の4f電子を失い、[Xe] 4f⁴の構成を持つPm³⁺イオンを形成します。このPm³⁺イオンがプロメチウム溶液の淡いピンク色の原因です。ただし、元素の希少性のため直接観察はほとんどありません。

プロメチウムの化学は本質的にPm³⁺イオンの化学であり、その性質はネオジムとサマリウムの中間です。プロメチウム(III)化合物には、酸化物Pm₂O₃、塩化物PmCl₃、硝酸塩Pm(NO₃)₃、およびさまざまな配位錯体が含まれます。放射能のため、すべてのプロメチウム化合物は徐々に自己放射線分解を受け、ベータ線による周囲の分子の励起により弱いルミネセンスを示す可能性があります。

+2および+4の酸化状態が極端な条件下で示唆されていますが、これらの状態は非常に不安定であり、決定的に特徴づけられたことはありません。プロメチウムの化学は、十分な量を得ることの難しさ、固有の放射能、および実験の期間を制限する急速な崩壊のため、比較的研究が進んでいません。

プロメチウムの化学的反応性

空気と酸素との反応

金属プロメチウムは酸素と非常に反応性が高く、空気中で速やかに酸化し、色の変化するプロメチウム(III)酸化物（Pm₂O₃）の層を形成すると考えられています（おそらく淡いピンクから黄色）。微小サンプルに関する研究では、プロメチウムは空気中で加熱すると容易に発火し、放射能による弱いルミネセンスを伴う酸化物を生成します：4Pm + 3O₂ → 2Pm₂O₃。金属プロメチウムの取り扱いには不活性雰囲気とベータ線からの適切な遮蔽が必要です。

水との反応および水酸化物の形成

プロメチウムは冷水とゆっくり反応し、温水とより速く反応してプロメチウム(III)水酸化物を生成し、水素ガスを放出すると考えられています：2Pm + 6H₂O → 2Pm(OH)₃ + 3H₂↑。プロメチウム塩の水溶液は淡いピンク色で、ベータ線と水との相互作用により弱い蛍光を示します。プロメチウム(III)水酸化物は溶液から容易にゼラチン状の固体として沈殿します。

酸およびその他の元素との反応

プロメチウムは希釈された酸にも容易に溶解し、水素を放出します：2Pm + 6HCl → 2PmCl₃ + 3H₂↑、これによりPm³⁺のピンク色の溶液が生成されます。プロメチウムはハロゲン化物（PmF₃、PmCl₃、PmBr₃、PmI₃）、カルコゲナイド（Pm₂S₃、Pm₂Se₃）、窒化物（PmN）、および炭化物（PmC、PmC₂）を形成します。これらの化合物はすべて放射性であり、自己放射線分解による徐々に劣化します。

プロメチウムの自己放射線分解と劣化

プロメチウムのユニークな特性は、その化合物の自己放射線分解です。Pm-147から放出されるベータ線は、固体化合物および溶液中の化学結合を継続的に破壊し、フリーラジカル、ガス（水溶液中のH₂、O₂）、および結晶構造の徐々な劣化を引き起こします。この自己放射線分解はサンプルの寿命を制限し、濃縮された源では著しい自己発熱を引き起こす可能性があります。プロメチウム化合物は化学的完全性を維持するために定期的に再合成する必要があります。

プロメチウムの産業および技術的応用

自立型発光源（時計の文字盤、計器用の蛍光塗料） - 主な歴史的応用；
材料厚さ計のベータ線源（産業用品質管理）；
小型原子力電池（宇宙探査機、ペースメーカー用の電源） - 歴史的応用；
イオン化式煙検知器（アメリシウム-241の代替可能性）；
特殊応用における蛍光体の励起源；
宇宙応用用の小型放射性同位体熱電気発電機（RTG）；
携帯用土壌水分および密度計；
生物医学および環境研究における放射性トレーサー；
特定のセキュリティデバイスおよび特殊アラームシステム。

自立型発光源：歴史的応用

放射ルミネセンスの原理

プロメチウムの主な歴史的応用は、時計の文字盤、航空計器、標識板、軍事装置用の自立型蛍光塗料での使用でした。その原理は放射ルミネセンスに基づいています：Pm-147から放出されるベータ線が蛍光体（通常、銅をドープした硫化亜鉛）を励起し、可視光を放出します。ラジウムやトリチウムの塗料とは異なり、Pm-147はより強い発光を生成し、事前の光照射による活性化を必要としません。

利点と限界

プロメチウム塗料にはいくつかの利点がありました：初期の発光強度が高い（トリチウムの約10倍）、ガンマ線放出がなく遮蔽が不要、ベータ線のエネルギーが低く文字盤のガラスで遮蔽可能です。しかし、Pm-147の半減期が短い（2.62年）ため、発光強度は2.6年ごとに半減し、10-15年後には装置が使用不能になります。この制限と放射線安全上の懸念から、1970年代から1980年代にかけてプロメチウムはトリチウム（半減期12.3年）に置き換えられました。

軍事および航空宇宙応用

軍隊は1960年代から1970年代にかけて、航法計器、武器照準器、制御パネル、生存装備にプロメチウム発光源を広範囲に使用しました。高い発光強度は、夜間視認性が重要な軍事応用で特に評価されました。一部の特殊な航空宇宙応用は1990年代までプロメチウムを使用し続けましたが、ほとんどはより耐久性のある代替品または電気ルミネセンスシステムに置き換えられました。

厚さ計と産業用センサー

動作原理

Pm-147は、連続生産中の材料（紙、プラスチック、薄い金属板）の厚さを正確に測定するための産業用厚さ計に使用されています。密封されたPm-147源が材料を通してベータ線を放出し、反対側の検出器が透過強度を測定します。ベータ線の減衰は材料の厚さと密度に比例し、マイクロメートル単位の精度でリアルタイムの品質管理を可能にします。

プロメチウムの厚さ計への利点

Pm-147はこの応用にいくつかの利点を提供します：その適度なベータエネルギー（最大224 keV）は低から中密度の材料およびミリメートル厚の材料の測定に適しており、ガンマ線放出がないため重い遮蔽が不要で、源を高度に小型化できます。プロメチウム厚さ計は、高エネルギーベータ源（Sr-90）またはガンマ源（Cs-137）を使用する代替品よりもコンパクトで安全です。

衰退と置き換え

プロメチウムの産業用厚さ計での使用は、1990年代以降大幅に減少しています。これは、短い半減期による頻繁な源の交換（5-10年ごと）、放射性物質に関する厳格な規制、および限られた入手可能性によるものです。ほとんどの現代の厚さ計は、クリプトン-85、ストロンチウム-90源、または非放射性のレーザー/光学システムを使用しています。コンパクトな幾何学を必要とする一部の非常に特殊な応用のみがプロメチウムを使用し続けています。

原子力電池と熱電発電機

プロメチウム電池の原理

プロメチウムは1950年代から1970年代にかけて、小型原子力電池および放射性同位体熱電発電機（RTG）の電源として探求されました。原子力電池では、ベータ線の運動エネルギーが半導体接合またはベータボルタイック材料によって直接電気に変換されます。RTGでは、ベータ線の吸収によって生成された熱が熱電対によって電気に変換されます。

宇宙および医療応用

Pm-147電池は1960年代から1970年代にかけて初期のペースメーカーに電力を供給するために開発され、5-10年の自律動作を可能にしました。一部の実験用衛星および宇宙探査機も、短期間のミッションに小型のプロメチウムRTGを使用しました。ソビエトの宇宙計画は、1970年代の一部の航法および通信衛星にPm-147源を使用しました。

廃止と代替

プロメチウムの原子力電池での使用は、1980年代に装置の寿命を制限する短い半減期、宇宙用RTGに対するプルトニウム-238と比較した相対的に低いエネルギー密度、および安全上の懸念からほとんど廃止されました。現代のペースメーカーは再充電可能なリチウムイオン電池または長寿命のリチウムヨウ素システムを使用しています。現代の宇宙用RTGは、長期間のミッションにプルトニウム-238（半減期87.7年）を排他的に使用しています。

毒性と環境への懸念

化学的および放射線毒性

プロメチウムは、化学的毒性（他のランタノイドと同様）とベータ線放出による放射線毒性の両方を示します。化学的毒性は中程度で、隣接する希土類元素と類似しています。プロメチウム化合物の摂取または吸入は、肝臓、腎臓、骨格系に優先的に蓄積します。しかし、放射線毒性が支配的であり、ベータ線は局所的な組織損傷を引き起こし、長期的ながんリスクを高めます。

曝露経路とリスク

プロメチウムへの曝露は、摂取、粉塵またはエアロゾルの吸入、または可溶性化合物の皮膚吸収によって発生する可能性があります。Pm-147のベータ線は健全な皮膚を貫通せず、数ミリメートルの組織で遮蔽されますが、プロメチウムの体内取り込みは危険です。ベータ線が周囲の組織を継続的に照射するためです。1マイクロキュリー（37 kBq）のPm-147の摂取は、全身に約0.5ミリシーベルトの線量を与え、主に肝臓と骨格に影響します。

生物学的半減期と排泄

体内に取り込まれたプロメチウムは、他のランタノイドと同様に振る舞います。生物学的半減期（体内負荷の50％を排泄する時間）は、骨格系に沈着したプロメチウムで約3-4年、軟組織内のプロメチウムで約1年です。この長期的な保持と放射能により、プロメチウムは特に懸念される内部汚染物質となります。DTPAのようなキレート剤は、急性汚染の場合に排泄を加速することができます。

規制と曝露限度

プロメチウムへの職業曝露限度は厳格に規制されています。Pm-147の年間摂取限度（ALI）は通常、摂取に対して40-80 MBq（1-2ミリキュリー）、吸入に対して8-20 MBq（0.2-0.5ミリキュリー）に設定されています。空気および水中の最大許容濃度は10⁻⁶から10⁻⁷ Bq/mLの範囲です。プロメチウムの取り扱いには、厳格な封じ込め手順、個人用保護装備、および継続的な放射線モニタリングが必要です。

廃棄物と環境汚染

寿命を終えたプロメチウム源は放射性廃棄物として分類され、厳格な核廃棄物管理プロトコルに従って処理する必要があります。Pm-147の比較的短い半減期（2.62年）により、廃棄物は約26年（10半減期）後に放射線学的に無視できるレベルになります。ビンテージ計器に見られる古いプロメチウム蛍光塗料は、ほとんどが非常に低いレベルまで崩壊しているため、リスクは軽微です。

プロメチウムによる環境汚染は主に、大気圏内核実験（1950年代から1960年代）および核事故（チェルノブイリ、福島）の降下物に由来します。しかし、環境中のプロメチウムは速やかに崩壊し、長期的な主要な汚染物質にはなりませんでした。現在の環境中の濃度は完全に無視できるレベルであり、検出限界を大幅に下回っています。核燃料再処理サイトでは、液体および固体廃棄物中に局所的に高い濃度のプロメチウムが存在する可能性があり、適切な封じ込めが必要です。

将来の展望と代替

プロメチウムの使用は、ほとんどの応用に対してより安全で持続可能な代替品が利用可能であるため、おそらく減少し続けるでしょう。発光源は現在、トリチウム（より持続可能）または非放射性の電気ルミネセンスシステムを使用しています。産業用厚さ計は光学またはレーザー技術に移行しています。宇宙応用用の原子力電池はプルトニウム-238を優先しています。プロメチウムはおそらく、そのユニークな特性（低エネルギーの純ベータ放出体）が不可欠な、いくつかの高度に特殊化されたニッチ応用に限定されるでしょう。しかし、使用される総量は減少し続けるでしょう。