最終更新：2026年1月3日

イッテルビウム (70)：時間とレーザー光の原子

天体物理学と宇宙論におけるイッテルビウムの役割

恒星におけるイッテルビウムの合成

イッテルビウムは、主に低質量から中質量のAGB星（漸近巨星分枝）で起こるs過程（遅い中性子捕獲）によって合成されます。偶数の原子番号（Z=70）を持つ重いランタノイドとして、この過程で効率的に生成されます。ユウロピウムのような軽いランタノイドとは異なり、イッテルビウムはr過程（速い中性子捕獲）による寄与が非常に低く、太陽存在度の10-15%未満と推定されています。このため、イッテルビウムはルテチウムとともに、希土類元素の中でもs過程の最も純粋なトレーサーの一つとなっています。

宇宙存在度とイッテルビウムの特性

イッテルビウムの宇宙存在度は、原子数で水素の約8.0×10⁻¹³倍であり、これはチュリウムの約4倍、ホルミウムの約半分です。偶数の原子番号のため、オッド・ハーキンズの法則に従い、奇数の隣接元素（チュリウム-69とルテチウム-71）よりも豊富です。ランタノイド系列の末端に位置することから、最も重い元素を生成するs過程の効率を示す重要な指標となっています。

s過程の優れたトレーサー

イッテルビウムは、天体物理学においてs過程を研究するための優れた元素の一つです。星におけるイッテルビウム/ユウロピウム（Yb/Eu）比は、s過程とr過程の相対的な寄与を示す特に敏感な指標です。高いYb/Eu比は、バリウム星のようなs過程元素に富んだ星に特徴的です。イッテルビウムは、AGB星における核合成モデルを制約するためにも使用され、その相対的な存在度は、バリウム、ランタン、セリウムなどの他のs過程元素に対する物理的条件（温度、中性子密度）に依存します。

恒星スペクトルでの検出と宇宙化学的応用

イッテルビウムは、多くの星、特に金属欠乏星で、比較的アクセスしやすいスペクトル線（特にYb IIイオンの線）により検出されています。これらの測定により、銀河系におけるs過程の生成史をたどることができます。隕石中のイッテルビウムは、太陽と同様の存在度を示しますが、精密な同位体研究により、太陽星雲に寄与した恒星源に関する情報を提供する異常が明らかになっています。イッテルビウムは、地球化学においても、火成および変成作用のトレーサーとして使用されています。

イッテルビウムの発見の歴史

語源と名称の由来

イッテルビウムは、他の多くの希土類元素と同様に、スウェーデンのストックホルム近郊のレサロー島にある村イッテルビーに由来します。イッテルビーはスウェーデン語で「外側の村」を意味し、多くの希土類元素を含む長石の採石場で知られています。イッテルビーにちなんで名付けられた元素は4つあります：イットリウム（Y）、テルビウム（Tb）、エルビウム（Er）、イッテルビウム（Yb）です。イッテルビウムは、同じ鉱石から発見された他の元素と地理的な起源を共有しています。

ジャン＝シャルル・ガリサール・ド・マリニャックによる発見

イッテルビウムは、1878年にスイスの化学者ジャン＝シャルル・ガリサール・ド・マリニャック（1817-1894）によって発見されました。マリニャックはガドリニウムも発見しています。イッテルビー産のガドリナイトから得られたエルビア（酸化エルビウム）と思われていたものを研究中、マリニャックはこの酸化物が実際には2つの異なる希土類元素を含んでいることに気づきました。彼は新しい酸化物を「イッテルビア」と名付け、新元素の酸化物であると考えました。マリニャックは結晶学と密度測定の専門家であり、これらの技術を用いてイッテルビアとエルビアを区別しました。

ルテチウムとの混同と明確化

数十年にわたり、マリニャックの「イッテルビア」は単一元素の酸化物と考えられていました。しかし、1907年、フランスの化学者ジョルジュ・ウルバンと、独立してオーストリアの化学者カール・アウエル・フォン・ヴェルスバッハが、イッテルビアが実際には2つの元素を含んでいることを示しました。ウルバンはこれらをネオイッテルビウムとルテチウムと名付け、フォン・ヴェルスバッハはアルデバラニウムとカシオペイウムと名付けました。最終的に、「イッテルビウム」（以前のネオイッテルビウム）と「ルテチウム」という名前が国際的に採用されました。この分離は、両元素が極めて類似した化学的性質を持つため、困難を極めました。

地球上の存在とイッテルビウムの生産

イッテルビウムは、地殻中に平均約3.0 ppm（百万分率）の濃度で存在し、ホルミウムやチュリウムと同様に最も希少なランタノイドの一つです。主なイッテルビウム含有鉱石は、バストネサイト（(Ce,La,Nd,Yb)CO₃F）とモナザイト（(Ce,La,Nd,Yb,Th)PO₄）であり、通常、希土類元素の総含有量の0.1から0.5%を占め、キセノタイム（YPO₄）ではさらに濃縮されていることがあります。イッテルビウムは、ユークセナイトやガドリナイトにも含まれています。

イッテルビウム酸化物（Yb₂O₃）の世界生産量は年間約50から100トンで、最も生産量の少ない希土類の一つです。その希少性と高付加価値の特殊応用のため、イッテルビウムは最も高価な希土類の一つであり、酸化物あたりの典型的な価格は500から1,500ドル/kg（大きな変動あり）です。中国が生産の90%以上を占めています。

金属イッテルビウムは、主に不活性アルゴン雰囲気中で金属カルシウムによるイッテルビウムフッ化物（YbF₃）の金属熱還元、またはランタンによる酸化物の還元によって生産されます。金属イッテルビウムの世界年間生産量は数トンに過ぎません。イッテルビウムのリサイクルは、使用量が少ないため非常に限られていますが、レーザー応用や原子時計の開発に伴い、重要性が増す可能性があります。

イッテルビウムの構造と基本的な性質

分類と原子構造

イッテルビウム（記号Yb、原子番号70）は、ランタノイド系列の14番目で最後から2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70個の陽子、通常104個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{174}\mathrm{Yb}\)）、および70個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f¹⁴ 6s²です。この配置は、完全に満たされた4fサブシェル（14個の電子）を持ち、イッテルビウムに特有の安定性と独特の化学的性質を与えています。

イッテルビウムの物理的性質と結晶構造

イッテルビウムは、銀色で光沢のある柔らかい展性・延性に富んだ金属です。室温では面心立方（FCC）結晶構造を持ち、これは通常六方最密充填（HCP）構造をとるランタノイドの中では珍しい特性です。このFCC構造は、いくつかの独特な物理的性質に寄与しています。イッテルビウムは、ランタノイドの中で最も密度が低く（6.90 g/cm³）、比較的高い圧縮性を示します。

イッテルビウムの相転移点と磁気的性質

イッテルビウムは824 °C（1097 K）で融解し、1196 °C（1469 K）で沸騰します。これらの融点と沸点は、ランタノイドの中で最も低く、ユウロピウムと同様です。イッテルビウムは798 °Cで同素体転移を示し、結晶構造が面心立方（FCC）から体心立方（BCC）に変化します。イッテルビウムは室温で反磁性を示します（ほとんどのランタノイドが常磁性であるのに対し）、これは完全な4f¹⁴電子配置によるもので、不対電子を持ちません。

イッテルビウムの化学的反応性

イッテルビウムは、室温の乾燥空気中では比較的安定ですが、ゆっくりと酸化してYb₂O₃を形成します。加熱すると酸化が速くなり、燃焼して酸化物を生成します：4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃。イッテルビウムは冷水とゆっくり反応し、温水とより速く反応して水酸化イッテルビウム(III) Yb(OH)₃と水素を生成します。希薄な無機酸に容易に溶解します。金属は鉱物油中または不活性雰囲気中で保存する必要があります。

熱的および構造的特性（概要）

イッテルビウムの融点：1097 K（824 °C）。
イッテルビウムの沸点：1469 K（1196 °C）。
室温での結晶構造：面心立方（FCC）。
密度：6.90 g/cm³（ランタノイドの中で最も低い）。
磁気的性質：反磁性（完全な4f配置）。

イッテルビウムの同位体表

イッテルビウムの同位体（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
イッテルビウム-168 — \(\,^{168}\mathrm{Yb}\,\)	70	98	167.933897 u	≈ 0.13 %	安定	最も軽い安定同位体、二重魔法数（陽子と中性子が完全殻）。
イッテルビウム-170 — \(\,^{170}\mathrm{Yb}\,\)	70	100	169.934761 u	≈ 3.04 %	安定	安定同位体、Tm-170同位体の生成ターゲットとして医療に使用。
イッテルビウム-171 — \(\,^{171}\mathrm{Yb}\,\)	70	101	170.936326 u	≈ 14.28 %	安定	核スピン1/2の安定同位体、光格子原子時計に使用。
イッテルビウム-172 — \(\,^{172}\mathrm{Yb}\,\)	70	102	171.936382 u	≈ 21.83 %	安定	安定同位体、天然混合物中で最も豊富なものの一つ。
イッテルビウム-173 — \(\,^{173}\mathrm{Yb}\,\)	70	103	172.938211 u	≈ 16.13 %	安定	核スピン5/2の安定同位体。
イッテルビウム-174 — \(\,^{174}\mathrm{Yb}\,\)	70	104	173.938862 u	≈ 31.83 %	安定	天然で最も豊富な安定同位体（約32%）。
イッテルビウム-176 — \(\,^{176}\mathrm{Yb}\,\)	70	106	175.942572 u	≈ 12.76 %	安定	最も重い安定同位体、天然混合物の約13%を占める。

イッテルビウムの電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻：原子核の周りの電子の配置。

イッテルビウムは70個の電子を6つの電子殻に持ちます。その電子配置[Xe] 4f¹⁴ 6s²は、完全に満たされた4fサブシェル（14個の電子）を持っています。この配置は、K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(2)または完全な形式で1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 6s²とも表されます。

電子殻の詳細な構造

K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含み、この内殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子を含み、この殻は完全でネオンの貴ガス配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子を含み、この完全な殻は電子遮蔽に寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子を含み、この殻は安定した構造を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁰に32個の電子を含み、完全に満たされた4fサブシェル（14個の電子）がイッテルビウムの安定性と反磁性を与えます。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含み、これらがイッテルビウムの最外殻価電子です。

価電子と酸化状態

イッテルビウムは、実効的に16個の価電子を持ちます：14個の4f¹⁴電子と2個の6s²電子です。イッテルビウムは2つの安定な酸化状態を示します：+2と+3。+3状態が最も一般的で、イッテルビウムは2個の6s電子と1個の4f電子を失い、電子配置[Xe] 4f¹³のYb³⁺イオンを形成します。このイオンは常磁性であり、発光性質を示します。

+2状態は、Yb²⁺イオンの完全な4f¹⁴配置（[Xe] 4f¹⁴）により特に安定です。この完全殻配置は、貴ガスに類似した例外的な安定性を与えます。このため、YbI₂（ヨウ化イッテルビウム(II)）、YbCl₂、YbSO₄などのイッテルビウム(II)化合物は比較的安定で、他のランタノイドの二価化合物よりも還元性が低くなります。水溶液中では、Yb²⁺は中程度の還元剤であり、空気中でゆっくりとYb³⁺に酸化されます。

この2つの酸化状態で存在できる容易さは、イッテルビウムの化学的挙動をユウロピウムに近づけます。しかし、イッテルビウム(II)は、完全に満たされた4fサブシェルのため、ユウロピウム(II)よりもさらに安定です。この豊かなレドックス化学は、特定の触媒および電気化学的応用で利用されています。

イッテルビウムの化学的反応性

空気と酸素との反応

金属イッテルビウムは、室温の乾燥空気中では比較的安定で、Yb₂O₃の薄い保護層を形成します。200 °C以上の高温では、急速に酸化し燃焼して酸化物を生成します：4Yb + 3O₂ → 2Yb₂O₃。イッテルビウム(III)酸化物は、白色の固体で、C型希土類構造を持ちます。微細な粉末状態では、イッテルビウムは自然発火性があり、空気中で自発的に発火する可能性があります。

水との反応と水酸化物の生成

イッテルビウムは冷水とゆっくり反応し、温水とより速く反応して水酸化イッテルビウム(III) Yb(OH)₃と水素ガスを生成します：2Yb + 6H₂O → 2Yb(OH)₃ + 3H₂↑。水酸化物は、溶解度の低いゼラチン状の白色固体として沈殿します。他のランタノイドと同様に、反応は激しくありませんが、長時間観察できます。

ハロゲン、酸、その他の元素との反応

イッテルビウムはすべてのハロゲンと反応し、+3状態の対応するハロゲン化物を形成します：2Yb + 3F₂ → 2YbF₃（白色フッ化物）；2Yb + 3Cl₂ → 2YbCl₃（白色塩化物）。適切な条件下では、イッテルビウム(II)ジハロゲン化物も形成します：Yb + I₂ → YbI₂。イッテルビウムは希薄な無機酸に容易に溶解し、水素を発生させYb³⁺塩を形成します：2Yb + 6HCl → 2YbCl₃ + 3H₂↑。

イッテルビウムは中程度の温度（300-400 °C）で水素と反応し、YbH₂を形成し、さらに高温でYbH₃を形成します。硫黄と反応してYb₂S₃を形成し、高温（>1000 °C）で窒素と反応してYbNを形成し、炭素と反応してYbC₂を形成します。イッテルビウムは、特に+3状態で、多くの有機配位子との錯体も形成します。

光学的および発光性質

Yb³⁺イオンは、近赤外線領域で興味深い発光性質を示します。約980 nmの単純な電子遷移（²F₇/₂ → ²F₅/₂）を持ち、レーザーや光増幅器で利用されています。この遷移は、広い吸収・発光スペクトル、高い量子収率、低い自然放出損失を示し、高出力レーザーの優れた活性媒体となっています。Yb³⁺は、エルビウムやチュリウムなどの他のランタノイドイオンにエネルギーを移動させる感光剤としても使用されます。

イッテルビウムの産業および技術的応用

光格子原子時計（Yb-171）の活性イオンとして - 計測学の最先端応用；
高出力レーザーおよび光増幅器（Ybドープファイバーレーザー、Yb:YAGレーザー）；
発光材料およびシンチレーターのドーパントとして；
ステンレス鋼合金の粒子と機械的性質の改善；
有機および無機化学における還元剤（イッテルビウム(II)）；
応力・ひずみセンサー（ひずみゲージ）；
非破壊検査用の携帯型ガンマ線源（Yb-169）；
重合およびその他の化学反応の触媒；
電池およびエネルギー貯蔵デバイス（研究段階）；
電子セラミックスおよび誘電体材料；
特殊永久磁石の微量添加剤；
地球化学および地質学的年代測定のマーカー；
高屈折率の特殊光学ガラス；
原子物理学および量子光学の基礎研究；
核研究における中性子源（照射下のYb-176）。

イッテルビウム原子時計：究極の時間基準

光格子原子時計の原理

イッテルビウムの最も先進的で精密な応用は、光格子原子時計での使用です。これらの時計は、レーザー冷却されたイッテルビウム-171原子を、干渉レーザーによって作られた光格子に閉じ込めます。使用される遷移は、イッテルビウム-171の電子遷移 ¹S₀ → ³P₀ で、周波数518 THz（波長578 nm）の可視領域です。この遷移は非常に狭く、外部の摂動に対して不感であり、例外的な安定性と精度を実現します。

記録的な性能と応用

イッテルビウム時計は、これまでに開発された中で最も精密な時計の一つです。相対安定度は10⁻¹⁸のオーダーであり、これは宇宙の年齢（138億年）を超えても1秒しかずれないことを意味します。この驚異的な精度は、以下の応用があります：

基礎計測学：秒の再定義、物理定数の検証、一般相対性理論の検証（重力時間の遅れ）。
ナビゲーションと位置測定：GPSおよびガリレオシステムの改善。
通信：高速ネットワークの同期。
天文学：超長基線電波干渉計（VLBI）の基準。
科学研究：重力波の検出、暗黒物質の研究、基礎物理学。

原子時計におけるイッテルビウムの利点

狭い遷移：¹S₀ → ³P₀ 遷移は非常に狭く、電場および磁場に対して不感です。
多くの原子：数千の原子を同時に閉じ込めることができ、信号対雑音比を向上させます。
効率的な冷却：イッテルビウムはレーザー冷却によりマイクロケルビン温度まで冷却できます。
安定性：温度変化や振動に対する感度が低い。

イッテルビウムレーザー：パワーと効率

Yb:YAGレーザー（イッテルビウム：イットリウムアルミニウムガーネット）

Yb:YAGレーザーは、約1030 nmで発振する高出力固体レーザーです。従来のNd:YAGレーザーに比べて以下の利点があります：

高い量子効率：ほぼ90%（ポンプと発振の間のエネルギー差が小さい）。
低発熱：熱問題を軽減し、高出力を可能にします。
ダイオードポンプ：940 nmのレーザーダイオードで直接ポンプでき、システムを簡素化します。
広い吸収帯域：ポンプダイオードの波長変動に対する耐性があります。

Yb:YAGレーザーの応用

材料加工：金属、プラスチック、セラミックスの切断、溶接、穴あけ。
医療：外科手術（Ho:YAGやTm:YAGほど一般的ではない）、皮膚科。
防衛：指向性エネルギー兵器システム。
研究：高調波発生および超短パルスレーザーの光源。

イッテルビウムドープファイバーレーザー

イッテルビウムドープファイバーレーザーおよび増幅器（YDFL、YDFA）は、通信および産業用材料加工において極めて重要です。これらは、優れたビーム品質、高出力、高効率、コンパクトさを提供します。Ybファイバー増幅器は、光通信ネットワークでの信号増幅に使用されます。Ybファイバーレーザーは、金属の切断（特に自動車および航空宇宙産業）およびマーキングに使用されます。

産業応用と材料

ステンレス鋼合金

少量のイッテルビウム（通常0.1%未満）が、特定のステンレス鋼に添加され、結晶粒の微細化と機械的性質（特に靭性と耐食性）の向上に使用されます。イッテルビウムは脱酸剤として作用し、介在物の形成を変化させ、より細かく均一な微細構造を実現します。

ひずみセンサー

イッテルビウムベースのひずみゲージは、特定のイッテルビウム化合物が機械的応力下で電気抵抗を変化させる性質を利用しています。これらのセンサーは、重要な構造物（橋、航空機、パイプライン）の変形を高感度かつ安定して測定するために使用されます。

イッテルビウムの携帯型ガンマ線源

同位体イッテルビウム-169（¹⁶⁹Yb）は、産業用非破壊検査のための携帯型ガンマ線源として使用されます。Yb-169は、低エネルギーガンマ線（主に63 keV、110 keV、130 keV、177 keV、198 keV）を放出し、軽量材料（アルミニウム、複合材料）や薄い溶接部の検査に適しています。その半減期32日は、産業用途に実用的です。

還元化学

イッテルビウム(II)化合物、特にヨウ化イッテルビウム(II)（YbI₂）は、有機合成において穏やかな還元剤として使用されます。これらは、分子の他の部分に影響を与えることなく、特定の官能基の選択的還元を行うことができます。金属イッテルビウムは、他の高純度金属の調製において還元剤としても使用されます。

毒性と環境への懸念

低い化学的毒性

イッテルビウムおよびその化合物は、他のランタノイドと同様に化学的毒性が低く、可溶性塩は皮膚、眼、呼吸器の刺激を引き起こす可能性があります。重篤な急性毒性や発がん性は報告されていません。イッテルビウム塩のLD50（半数致死量）は、他の希土類元素と同様に通常500 mg/kg以上です。イッテルビウムには既知の生物学的役割はありません。

生体内分布と排泄

他のランタノイドと同様に、イッテルビウムは暴露時に肝臓と骨に優先的に蓄積し、排泄は非常に遅くなります。一般人口の暴露は極めて低く、主に関連産業の労働者に限られています。

放射線防護（放射性同位体）

産業用放射線源として使用されるYb-169については、放射線防護対策が必要です。ガンマ線の低エネルギーにより遮蔽が容易（数ミリメートルの鉛で十分）ですが、外部被ばくに対する予防措置が必要です。原子時計に使用されるYb-171の放射能レベルは一般的に非常に低く、重大なリスクはありません。

環境への影響とリサイクル

イッテルビウムに特有の環境影響は、生産および使用量が非常に少ないため最小限です。イッテルビウムのリサイクルは限られていますが、レーザー応用や原子時計の開発に伴い重要性が増す可能性があります。リサイクル技術は、他の希土類元素と同様です。イッテルビウムの放射性同位体（Yb-169、Yb-175）を含む廃棄物は、低レベル放射性廃棄物として処理する必要があります。