最終更新日：2024年12月29日

キセノン (Z=54)：例外的な性質を持つ希少な貴ガス

星から惑星へ：星間物質中のキセノン

宇宙におけるキセノンの存在量と起源

キセノンは宇宙で希少な元素であり、主に恒星核合成の進んだ段階で生成されます。ビッグバン直後に形成された軽い元素とは異なり、キセノンは大質量星やカタストロフィックなイベントにおける中性子捕獲過程によって生成されます。

キセノン工場としての星：s過程とr過程

キセノンは主に2つの核合成過程によって生成されます：s過程（遅い中性子捕獲）は漸近巨星分枝（AGB）星で、r過程（速い中性子捕獲）は超新星爆発や中性子星の合体時に起こります。これらの過程は、自然界で観測される9つの安定したキセノン同位体を生成します。 AGB星の恒星風や超新星の放出物は、その後、星間物質をキセノンで豊かにします。

太陽系におけるキセノン：欠損キセノンの謎

太陽系では、キセノンは「欠損キセノンの謎」として知られる興味深い異常を示します。地球の大気中のキセノンの存在量は、太陽や隕石の存在量に基づく予測よりも少ないです。この謎は、キセノンが地球形成の初期段階で高圧下の深部鉱物に閉じ込められたり、宇宙空間に失われた可能性を示唆しています。隕石、惑星大気、岩石中に閉じ込められた貴ガスのキセノン同位体比の研究は、太陽系の歴史に関する重要な情報を提供します。

同位体：宇宙および核過程のトレーサー

キセノンの9つの安定同位体（\(\,^{124}\mathrm{Xe}\) から \(\,^{136}\mathrm{Xe}\)）は、それぞれ異なる存在量を持ち、多様な核合成起源を反映しています。 \(\,^{129}\mathrm{Xe}\) は特に興味深いもので、一部が絶滅した \(\,^{129}\mathrm{I}\)（半減期1570万年）の放射性崩壊によって生成され、太陽系形成の時間的制約を提供します。 \(\,^{136}\mathrm{Xe}\) は二重ベータ崩壊を起こす可能性があり、これは基本粒子物理学で研究される極めて稀な核過程です。

素粒子物理学と暗黒物質検出における役割

キセノンは現代の基礎物理学研究において中心的な役割を果たしています。地下深くの研究所に設置された超高純度の液体キセノンを数トン使用する検出器は、仮説上の暗黒物質粒子（WIMPs）の検出やニュートリノの性質の研究に使用されています。キセノンの例外的な純度、高密度、およびシンチレーション特性は、見えない宇宙の謎を解明するための基礎物理学実験に理想的な候補となっています。

キセノンの発見の歴史

キセノンは1898年、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カレッジで発見されました。この発見は、クリプトンとネオンの発見に続いて、大気中の希ガスに関する彼らの系統的な研究の一環として行われました。ラムゼーとトラバースは、液体空気の分留によってキセノンを単離し、異なる沸点に基づいて成分を分離しました。クリプトンを蒸発させた後、彼らはさらに重い気体の残留物を発見しました。この残留物は放電管内で電気的に励起されると明るい青色の光を放ちました。

キセノンという名前は、ギリシャ語のxenos（ξένος）に由来し、「見知らぬ人」または「未知」を意味します。これは、この予期せぬガスに対する発見者の驚きを反映しています。ラムゼーは1904年、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの発見によりノーベル化学賞を受賞しました。数十年にわたり、キセノンは化学的に完全に不活性であると考えられていました。しかし、1962年、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であるキセノン・ヘキサフルオロプラチン酸塩を合成し、貴ガスの反応性に関する理解を革命的に変え、化学の新しい章を開きました。

技術的注記：キセノンと現代の照明

N.B.：
キセノンランプは1990年代以来、自動車および映画の照明を革命的に変えました。その明るい白色光は太陽光スペクトルに近く、従来のハロゲンランプよりも優れた夜間視認性と色再現性を提供します。 IMAX映画のプロジェクターは、非常に高出力のキセノンランプを使用して巨大なスクリーンに例外的な明るさで投影します。しかし、キセノンの希少性（空気中に0.087 ppmしか存在しない）により、世界で最も高価なガスの一つとなっており、1キログラムあたり数千ユーロに達することもあります。この希少性は、産業界にLEDなどの代替技術の開発を促し、貴重な資源を保護するために使用済みランプからのキセノンのリサイクルを模索しています。

構造と基本的な性質

キセノン（記号Xe、原子番号54）は、周期表の18族（貴ガス）に属し、54個の陽子、通常78個の中性子（最も一般的な同位体）、および54個の電子から構成されています。キセノンには9つの天然安定同位体があります：\(\,^{124}\mathrm{Xe}\)（0.095%）、\(\,^{126}\mathrm{Xe}\)（0.089%）、\(\,^{128}\mathrm{Xe}\)（1.910%）、\(\,^{129}\mathrm{Xe}\)（26.401%）、\(\,^{130}\mathrm{Xe}\)（4.071%）、\(\,^{131}\mathrm{Xe}\)（21.232%）、\(\,^{132}\mathrm{Xe}\)（26.909%）、\(\,^{134}\mathrm{Xe}\)（10.436%）、および\(\,^{136}\mathrm{Xe}\)（8.857%）。
室温では、キセノンは単原子、無色、無臭、一般的に化学的に不活性なガスとして存在します。しかし、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンなどの軽い貴ガスとは異なり、キセノンは特定の条件下で化学化合物を形成することができます。特にフッ素や酸素と反応します。キセノンは最も密度の高い天然貴ガスであり、大気中の濃度は体積で約0.087 ppmです。 Xeガスの密度は標準温度と圧力で約5.894 g/Lであり、空気の約4.5倍の密度があります。液体と固体が共存できる温度（融点）：161.40 K（-111.75 °C）。液体から気体に変化する温度（沸点）：165.051 K（-108.099 °C）。

キセノンの同位体表

キセノンの同位体（主要な物理的性質）
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 / 安定性	崩壊 / 備考
キセノン-124 — \(\,^{124}\mathrm{Xe}\,\)	54	70	123.905893 u	˜ 0.095%	安定（理論的に放射性）	最も軽い同位体；理論的な二重電子捕獲、半減期 > 10¹⁴年。
キセノン-126 — \(\,^{126}\mathrm{Xe}\,\)	54	72	125.904274 u	˜ 0.089%	安定	希少な同位体；恒星核合成のs過程で生成される。
キセノン-128 — \(\,^{128}\mathrm{Xe}\,\)	54	74	127.903531 u	˜ 1.910%	安定	主にAGB星のs過程で生成される。
キセノン-129 — \(\,^{129}\mathrm{Xe}\,\)	54	75	128.904779 u	˜ 26.401%	安定	非常に豊富な同位体；一部は絶滅した \(\,^{129}\mathrm{I}\) の崩壊によって生成；地球化学および宇宙化学における重要なトレーサー。
キセノン-130 — \(\,^{130}\mathrm{Xe}\,\)	54	76	129.903508 u	˜ 4.071%	安定	暗黒物質およびニュートリノ検出器で使用される。
キセノン-131 — \(\,^{131}\mathrm{Xe}\,\)	54	77	130.905082 u	˜ 21.232%	安定	2番目に豊富な同位体；ハイパーポラライズキセノンMRIで肺イメージングに使用される。
キセノン-132 — \(\,^{132}\mathrm{Xe}\,\)	54	78	131.904153 u	˜ 26.909%	安定	最も豊富な同位体；原子炉での一般的な核分裂生成物。
キセノン-133 — \(\,^{133}\mathrm{Xe}\,\)	54	79	132.905910 u	非天然	5.243 日	放射性 ß\(^-\) 崩壊により \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) になる；医療用肺イメージングおよび秘密裏の核実験検出に使用される。
キセノン-134 — \(\,^{134}\mathrm{Xe}\,\)	54	80	133.905394 u	˜ 10.436%	安定	豊富な同位体；中性子捕獲のs過程で生成される。
キセノン-135 — \(\,^{135}\mathrm{Xe}\,\)	54	81	134.907227 u	非天然	9.14 時間	放射性 ß\(^-\)；重要な核分裂生成物；強い中性子吸収体（原子炉の「中性子毒」）。
キセノン-136 — \(\,^{136}\mathrm{Xe}\,\)	54	82	135.907219 u	˜ 8.857%	安定（理論的に放射性）	二重ベータ崩壊を起こす可能性（測定された半減期 > 10²¹年）；ニュートリノ物理学で研究される。
その他の同位体 — \(\,^{110}\mathrm{Xe}-\,^{123}\mathrm{Xe},\,^{125}\mathrm{Xe},\,^{127}\mathrm{Xe},\,^{137}\mathrm{Xe}-\,^{147}\mathrm{Xe}\)	54	56-69, 71, 73, 83-93	—	非天然	ミリ秒 — 数日	人工的に生成された放射性同位体；核研究、医学、および核実験検出に使用される。

電子配置と電子殻

N.B.：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されるか。

キセノンは54個の電子を持ち、それらは5つの電子殻に分布しています。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶、または簡略化すると：[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(8)とも表記できます。

殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2つの電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に分布する8つの電子を含み、完全で安定した殻を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に分布する18個の電子を含み、完全な殻を形成します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に分布する18個の電子を含み、完全な殻を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶に分布する8個の電子を含みます。この外殻は8個の価電子（オクテット構成）で完全であり、キセノンに貴ガス特有の安定性を与えます。

キセノンの性質と重要性

キセノンは18族（貴ガス）に属し、8個の価電子（5s² 5p⁶）を持ち、安定したオクテット電子配置を形成します。この配置は伝統的に貴ガスの化学的不活性を説明しています。しかし、キセノンは最も重い天然貴ガスであり、外側の電子は原子核から比較的遠く（原子半径が大きい）、そのため結合が弱く、化学化合物を形成することができます。これは、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの軽い貴ガスとは異なります。キセノンの高い分極率は、フッ素や酸素などの高電気陰性度の元素との相互作用を容易にします。

キセノンは地球の大気中で極めて希少（0.087 ppm）ですが、驚くべき多様な応用があります。キセノンランプでの使用は、太陽光スペクトルに近い明るい光を生成する能力を利用して、高強度の自動車照明や映画プロジェクターに使用されています。医学では、神経保護特性を持つ全身麻酔として使用されます。宇宙探査では、衛星や探査機のイオンエンジンの推進剤として好まれています。基礎物理学では、超高純度の液体キセノン検出器が暗黒物質の探索やニュートリノの研究に使用されています。1962年以来、キセノンが化学化合物（フッ化物、酸化物）を形成する独自の能力は、貴ガスの化学を革命的に変えました。

化学的反応性

不活性から反応性へ：貴ガス化学の革命

キセノンは8個の価電子（5s² 5p⁶）を持ち、完全な外殻（オクテット）を形成しています。この安定した配置は、通常の条件下での化学的不活性を説明しています。発見から60年以上にわたり、キセノンは完全に不活性で化学結合を形成できないと考えられていました。この信念は1962年、ニール・バートレットが最初のキセノン化合物であるキセノン・ヘキサフルオロプラチン酸塩（Xe[PtF₆]）を合成したことで劇的に覆され、貴ガスが反応する可能性があることを示し、化学の新しい章を開きました。軽い貴ガスとは異なり、キセノンは原子核からの距離、多くの内部電子殻による遮蔽効果、および高い分極率のため、比較的アクセスしやすい価電子を持っています。

キセノン化合物：フッ化物、酸化物、およびエキゾチック化合物

キセノンは主にフッ素（最も電気陰性度の高い元素）および酸素と化合物を形成します。キセノンのフッ化物にはXeF₂（二フッ化物）、XeF₄（四フッ化物）、XeF₆（六フッ化物）があり、キセノンはそれぞれ+2、+4、+6の酸化状態を示します。これらの化合物は強力な酸化剤およびフッ素化剤であり、化学合成に使用されます。キセノンはまた、XeO₃（三酸化物）やXeO₄（四酸化物）、オキシフッ化物（XeOF₂、XeOF₄、XeO₂F₂）、および過キセノン酸（H₄XeO₆）などの酸化物も形成します。これらの化合物は熱力学的に不安定で潜在的に爆発的ですが、特殊な条件（低温、不活性マトリックス）下で合成されたキセノンの有機金属化合物、配位錯体、さらにはキセノン-窒素、キセノン-炭素、キセノン-金結合も存在し、キセノン化学の魅力的な分野を絶えず拡大しています。

物理的性質と不活性の応用

驚くべき化合物形成能力にもかかわらず、キセノンは通常の温度と圧力の条件下では化学的に不活性であり、この安定性を利用した多くの技術的応用に価値があります。その高密度（空気の約5.9倍）、低熱伝導率、および不活性は、高性能断熱窓や白熱電球の充填ガスとして優れています。電場中でイオン化されたキセノンは、太陽光に近いスペクトルの強く明るい光を生成し、高強度放電ランプ（自動車のキセノンヘッドライト）、IMAX映画プロジェクター、プロフェッショナルな写真フラッシュシステム、および建築用プロジェクターに使用されています。