私たちの体は星くずでできている
ビッグバン
宇宙の始まり138 億年前

C h a r t of N u c l i d e s
監修：理化学研究所 仁科加速器科学研究センター

核図表には物質創成の歴史が刻まれている

縦軸は陽子数 (Z) で、下から上に向かって増えていきます。陽子数は原子想されていますが、これまで発見された原横軸は中性子数 (N) で、左から右に向かって増えていきます。したがって心にある原子核です。原子核の大きさは原子のさらに 1 万宙が誕生した際に存在した元〜10 万分の１ですから、まったく見ることはできません。

素のほとんどは水素とヘリウ

たとえ目に見えなくても私たちは原子核が陽子 (＋の電気ムでした。それから３億年ほどい元素は作られています。

恒星内で鉄までの元素が作られる

恒星ができる

中性子陽子

この瞬間にウランまでの元素が一気に作られる作られた元素が宇宙にばらまかれる

酸素原子〜１ 万分の1

（1億分の1cm）（1兆分の1cm）

水滴

水滴

酸素原子核

13.000km

0.3mm

0.3mm

1兆分の1ｃm

球形だけじゃない─色々な原子核

原子核はとても固く簡単には壊せません。しかし不安定核はより安定な原子核へと自らを変化させます。その現象を『崩壊』■ 核子と呼びます。主な崩壊のしかたはアルファ、ベータ、ガンマの 3 種類と自発核分裂です。すべての不安定核は崩壊を繰り返し、中性子スキン※7の分布の異常
中性子ハロー最終的に安定核へたどり着きます。
ベータα崩壊ー

β 崩壊

ウラン238放射性同位体ヘリウム 4電子（β ー線）

α線=×92×143

トリウム234
放射性同位体

電子捕獲

自発核分裂

ニュートリノ

分割断面
ガンマ線

陽電子
（β + 線）

周りが中性子で覆われている

陽子→中性子z

140130

150

160

170

180

190200130

17Ne 18Ne 19Ne 20Ne 21Ne 22Ne 23Ne 24Ne 25Ne 26Ne

917F 18F 19F 20F 21F 22F 23F 24F 25F813O 14O 15O 16O 17O 18O 19O 20O 21O 22O 23O 24O

712N 13N 14N 15N 16N 17N 18N 19N 20N 21N 22N 23N

69C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C 17C 18C 19C 20C

58B

10B 11B 12B 13B 14B 15B

47Be

9Be 10Be 11Be 12Be

36Li 7Li 8Li 9Li

23He 4He

6He

17B

8 ニホニウム※矢印は崩壊経路

21C12019B

2 ウラン

14Be

11Li8He

1 2

中性子数→

原子核の形は球形で描くことが多いですが、実はそうとは限りません ( 左図参照 )。魔法数近傍の原子核は球形ですが、それを外れた領域には多様な形の原子核が存在することがわかっています。バナナ型やミカン型など様々です。特に左110
図に示した原子核は特徴的です。中性子スキンは過剰な中性子が原子核の外にしみ100
出して中性子だけの皮を作ってCfいます。中性子ハローはしみBk
出した中性子が大きくCm
Am
広がっています。
100Og
Ts
Lv

Flｎ0120Mc

1 1H 2H 3H
0

9 安定の島3 45 6 7Nh

8 9 10 11 12 13 14Cn
Rg
110130120

Ds110

Mt

Hs
Bh
Sg
Db
Rf
Lr
No
Md
Fm

100

Es

Pu

NpUzzznnn

Th90z

ミカン型n

この表は 2022 年 12 月現在のものです。

Pa

核図表
陽子数 /
中性子数

周りに中性子がおぼろげに存在■ 原子核のカタチ

ｘ線

ホウ素11
安定同位元素リチウム6
安定同位元素z

γ崩壊

ニュートリノ炭素11
放射性同位元素中性子→陽子

ヘリウム4

原子核は陽子※5 と中性子※6 の集合体です。
例えばヘリウム 4 は 2 つの陽子と 2 つの中性子からなり、ウラン 235 は 92 個の陽子と 143 個の中性子からなっています。それぞれの原子核の安定性は陽子と中性子の数で定められ、そのバランスが崩れている原子核は不安定で別の原子核に変化します。

β+崩壊

反ニュートリノ

ヘリウム6
放射性同位元素ウラン 235×2×2

ガンマ

β崩壊・電子捕獲

元素記号

例えばヘリウム 4 では
4 He2
例えば炭素 13 では
13 C
6と表す。
（※右の核図表

酸素原子核

地球

4 5

URL：https://www.nishina.riken.jp/

核が発見され、物質創成の謎※4 の解明への大事なステップとなることでしょう。

11核図表上での個々の表記
17Na 18Na 19Na 20Na 21Na 22Na 23Na 24Na 25Na 26Na 27Na

原子核の表記方法

陽子

では陽子数は省略）

原子核の崩壊─不安定核は崩壊し別の原子核になるアルファ在）。現在も各国で原子核の研究が進められているので、これからも多くの原子

陽子 + 中性子数
陽子数〜１ ０ ０ ０ 万分 の1（0.1cm）

星間物質ようなものなのか、核図表を一緒に見てみましょう。

3

横一列に並ぶのは、同じ元素でそれぞれ中性子数が違う同位元素※2 です。

↑陽子数

重力で星間物質がだんだん集まってくる宇宙の歴史も刻まれています。原子核は果たしてどのように生まれたのか、またどの水滴星の終焉

次世代の恒星ができる（例えば太陽）です。ここに示す核図表※1 は全ての原子核を示した地図であり、そこには元素合成と7

中性子

原子核

水分子

妙なバランスからなる原子核の成り立ちを調べることは、物質の起源を調べること

種類は理研で発見されました（2022 年現在が予想される未発見の原子核です。

超新星爆発

きています。その元素の本体は陽子と中性子からなる原子核です。陽子と中性子の微子核は約 3000 種類です。このうち 194

10

私たちの体を含め、目に見える宇宙を構成する物質は 100 種類足らずの元素からで

1 2 原子核＝陽子 + 中性子

電子

酸素原子

水素原子

番号と同じなので、縦軸は周期表の順番に並んだ元素の種類でもあります。

はこれまでに発見・合成された原子核です。白色と灰色の所は理論的に存の塊であることを知っています。

や、星の爆発で原子番号が大き原子核は理論上 7000 種類以上あると予

青い所は安定核※3 といい、天然に存在する原子核です。オレンジ色の所を持つ ) と中性子 ( 電気を持たない ) という２種類の粒子で恒星が誕生し、その星の内部宇宙に散らばった水素・ヘリウムが重力でだんだん集まってくる

原子の大きさは約 1000 万分の１ mm。
最新鋭の顕微鏡でぎりぎり見える大きさです。しかし元素の本体は原子の中138 億年前、ビッグバンで宇水素とヘリウムだけ他の元素はない

核図表の見かた版

を 繰 り 返 し て い ま す。し か し

原子核の大きさ第現在の宇宙では常に元素合成

原子核は今も発見され続けている

n

レモン型

バナナ型

90

洋なし型

-2/-2+1/-1-1/+1-1/+1±0/±0不確定

原子核からヘリウム原子核が飛び出す現象

中性子が陽子に変わる

陽子が中性子に変わる

電子を捕獲し、陽子が中性子に変化励起した原子核が安定状態になる時にγ線を放出

重い原子核が 2つの原子核に分裂

RaFr

n70

90

Ac

Rn80

AtPo

12 s過程BiPb82

TlHg8080

Au

7 「異常変形の島」と新たな魔法数─魔法数の消失と出現

原子には電子軌道が層状にあり、 陽子と中性子の魔法数はそれぞれ独立です。そこ
これを殻構造と呼びます。電子はで中性子数が魔法数でも陽子数が魔法数からかけ内側から順に殻を埋めます。第 1
離れた原子核はその安定性が失われる、つまり魔殻（層）は電子が 2 個、第 2 殻は法数が消失する場合もあることが近年分かりまし
8 個、第 3 殻も 8 個入ります。
各た。た と え ば マ グ ネ シ ウ ム 32 は 陽 子 数 が殻がちょうど埋まった状態を閉
Z=12、中性子数が N=20 のアンバランス
殻構造と呼び、原子として安定な （中 性 子 過 剰）な 原 子 核 で す。中 性 子 数ので、この時の電子数を魔法数とN=20 は通常では魔法数ですが、この言います。ですから、原子の魔法原子核は変形していて魔法数が消失
数 は 2、10（2 + 8）、18しています。その近傍には異常変形（2+8+8）... です。実は原子核にした原子核ばかりの領域があり、も同様な殻構造が陽子と中性子
これを「異常変形の島（逆転のそれぞれ独立にあり、球形で比較島）」と呼んでいます。このよ的安定な原子核を示す魔法数とうな魔法数の消失がある
して 2,8,20,28,50,82,126
一方で、中性子過剰な原が 70 年程前から知られていま子核に新たな魔法数とす。1949 年にマリア・ゲッパー
し て 2000 年 に 中ト＝メイヤーとヨハネス・ハン
性子数 N=16 が、そス・イェンゼンが魔法数を理論の後さらに N=6、32、的に説明し、1963 年にノーベ34 が見つかりました。理論的にはまだほかにもル物理学賞を受賞しました。
魔法数の出現と消失の可能性があり、今後の研究が待ち望まれます。

Pt

新たに出現

Ir
Os
ReW
Ta
HfLu
Yb

70

6070

Tm
Er
Ho
Dy180

Tb170

Pm
Nd

魔法数消失

Ce
La
Ba
Cs
Xe

新たに出現

I
Te

40

Sb
Sn

50

50

In
Ag

20

13 ビッグバンから元素合成へ

138 億年前のビッグバンで我々の宇宙は生まれました。
とてつもない温度と圧力の宇宙が急激に膨張し冷えます。
3 分後に陽子・中性子が結合して重水素やヘリウムが作られ始めますが ( ビッグバン元素合成 )、20 分後には温度が下がり過ぎて合成終了。
宇宙は水素とヘリ40ウムだけでほとんど 3 億年過ごし、やっと生まれる恒星が元素合成を引き継ぎます。
恒星内

ビッグバン
30

1214B7Be
6Li 7Li 8Li8

↑陽子数

He HeH 2H 3H
346s 過程

BrSeAsGe28CoFeMnCr20

ニホニウムの合成と崩壊経路

PSi32︶

6107 異常変形の島

20※105 中性子ハロー（リチウム11、ベリリウム11）

4 中性子スキン（ヘリウム8）

1 ヘリウム

束縛核

陽子数︵16

中性子数（N）

6 魔法数

282030安定核ウランより重い超重元素はどんどん寿命が短くなり不安定になります。しかし理論的にはより重い所にも魔法数があり、そこに安定核があるかもしれません。これを、まわりじゅう不安定核の海からちょっと頭を出した「安定の島」と呼んでいます。
もしこの島を探り当てることができれば、未知の物質を目にすることができるかもしれません。

自発核分裂

Bi

核反応

不安定核（既知核）
不安定核（未発見核・半減期1ns以上）
理研が発見・合成した原子核
非束縛核（超短寿命核）※1050※1「核図表」：原子核をその陽子数と中性子数で並べて描いたのが核図表で、この図のように縦軸に陽子数、横軸に中性子数をとるのが一般的です。それに対して周期表は原子核の陽子数だけで並べています。
※2：「同位元素」：同位体ともいいます。同位元素には放射性崩壊を起こす「放射性同位元素」（RI）と、

6070

10

アルファ崩壊アルファ崩壊アルファ崩壊Zn

209

丸の大きさは半減期※9の長さを示す。
大きいほど長寿命。

4070

アルファ崩壊

279
Nh
励起状態

（高温の複合核）

278
Nh
基底状態

274

（目的核種）

Rg

270

Mt

266

Bh262

アルファ崩壊Db

アルファ崩壊仁科センターの森田浩介研究員らのグループはこれまで未確
Lr
認だった新しい原子番号 113 番の元素の合成・発見に成功し2012 年グループが提案した「ニホニウム（Nh)」と命名しました。
Md
新元素の発見は、目的とする原子核の合成される確率が極端に小さいためとても困難で、世界でその発見を競っています。ニホニウムの場合、亜鉛とビスマスの原子核同士を 100 兆回も衝突させる必要がありました。
2004 年、2005 年、2012 年に合計 3 個のニホニウムを合成しました。この発見により、日本はもとよりアジアでも初めて元素の命名権を得ることができました。

崩壊しない「安定同位元素」とがあります。
※3「安定核」：崩壊しない原子核のことを安定核といいます。ただしこの表では、半減期が地球の年齢程度のため採掘可能なウランなども安定核としています。
※4「物質創成の謎」：約 100 種類ある元素が物質の素です。ほとんどは宇宙に星が生まれた後赤枠で囲った部分は、RIBF の BigRIPS という装置で1 日あたり 1 個以上生成できる原子核の範囲を示しています。
ウランなどの重い原子核を光速の半分以上まで加速し、標的に ぶ つ け て 壊 す 方 法 で、 BigRIPS様々な未知の原子核を生み出します。RIBF が生成できる原子核の種類は現在世界のトップです。これらの原子核は r 過程（ 11 12 ）の領域にも重なるので、その研究は重い元素合成の解明に繋がります。

9 安定の島2004 年
2005 年

陽子

中性子を放出して冷却

3 不安定核34

810 RIBF※8 で生成できる原子核

110

中性子

62100

2050

290

8 日本史上初の元素発見「113 番元素─ニホニウム」

ClS

8308280

Sc
CaN
C
B
Be
Li

0

10 RIBF生成可能領域

Ga
Zn

Al
Mg
Na
Ne

140

40Rb
Kr

F
O

Z

120

K
Ar

13 ビッグバン

HeHn

Nb
Zr

V
Ti
2010130

Mo

Cu
Ni

10ｎ

中性子数→

Ru
Tc

Y
Sr

30

11 r 過程He

30

14 恒星内の核融合

40126

Rh

ウラン 235,238（最も重い安定核）

理論的には寿命が長く、安定した原子核がこのあたりにあるかもしれない！？

258254↓

水素につくられたのですが、どのようにつくられたのかまだ完全には分かっていません。特にウランなどの重い元素のつくられ方はまだ謎だらけなのです。
※5,6,7「陽子」「中性子」「核子」：原子核はほぼ同じ重さの２種類の粒子でできています。プラス電荷を持つのが陽子、電荷を持たないのが中性子で、陽子と中性子を総称して核子と呼びます。

半減期※9 を高さで表した核図表

右の図は核図表を立体的に示したものです。それぞれの原子核の場所の160
高さは核子１個当たりのポテンシャルエネルギー※11 で、その結合力を示します（低い方が強く固く結合している）。この図全体の形が山の間の谷筋のように見えることから、これを「ハイゼンベルク※12 の谷」と呼びます。青色で示す安定核
150が谷底に見えますね。谷の両岸の原子核はβ崩壊を繰り返して斜面を下り、谷底の安定核に到達します（水色の矢印）。その際、高低差に相当するエネルギーが放出されます。下のグラフは谷底の安定核を横から見た図で、鉄の原子核が最もエネルギーが低く、それより軽くても重くても高くなります。さて、地球上で採掘できる最も重い元
1素のウランは、下のグラフでは右側の高い位置にありますから、核分裂して 2個の原子核になると、その高低差分のエネルギーで発電できます。一方、太陽の中心では核融合反応で水素 4水素個からヘリウムがつくられ、その太陽での際のエネルギー差で太陽は核融合反応光り輝いています。
得られるエネルギー

T50

11 ｒ過程CdPdPOIN

Point 1 ハイゼンベルクの谷

60

Pr──核図表にもう一つのパラメータ「高さ＝エネルギー」を足してみることで、新たな発見があります。

2

ウラン

Point 3 不安定核を介して鉄より重い元素ができる

鉄より重い元素である金 (Au Z=79) やウラン (U Z=92) がどのようにできたかはまだよくわかっていません。
ただしいくつかの仮説があります。
一つ※立体図の右側面から見た図は s 過程 (slow) と呼ばれ、「恒星内で発生する中性子を鉄 (Fe Z=26) が吸収、発電の時のβ崩壊して陽子が一つ多いコバルト (Co Z=27) ができる。
また中性子を吸ヘリウム核分裂反応収してβ崩壊、ニッケル (Ni Z=28) ができる」というように、安定核に沿ってウラン階段を上るように徐々に重い元素ができるというものです。宇宙全体の重いウラン核分裂後得られる元素の半分位はこの s 過程でできていると考えられています。
ただし、ビスマ
鉄エネルギース（Bi Z=83) より先には行けない、つまりこの s 過程ではウランはつくれな原子番号（陽子数）いのです。もう一つは重い星がその一生を終えるときに起こす超新星爆発の数秒間でウランまでを一気につくってしまうという、r 過程 (rapid) です。
こPoint 2 鉄まではつくれる、その先は…
れは超新星爆発の際に発生する大量の中性子を原子核が吸収し続けるととも恒星は水素（H Z=1）をヘリウム（He Z=2）に変えることでエネルギーをに、β崩壊を繰り返し、一気にウランまでの様々な元素をつくりだしてしまう得て光り輝いています（上図参照）。つまり水素は燃料でヘリウムは灰です。
（青白矢印）というものです。
これは前者の s 過程に比べて未解明な部分が多そのうち水素は燃え尽きます、すると今度は灰だったヘリウムを燃料としいのですが、r 過程の道筋にある中性子過剰な原子核を生成できる RIBF はこて炭素（C Z=6）に変えることでエネルギーを得ます。このように灰を次の謎の解明に最も近い位置にいます。
また最近は、そのほとんどが中性子ででの燃料にできるの1
重い方からの視点きている中性子星が合体した際に重い元素ができるという説も有力です。
は、山の頂にある
水素水素から谷筋を下2
軽い方からの視点
恒星内で進行したる向きに元素合成核融合反応をすることで、エs 過程の経路ネルギーを得られ、ベータ崩壊によって恒星が燃え続けら安定に向かう
ニッケル 56れるからです。で超新星爆発での→コバルト 56→鉄 56も底はあります。
r 過程の経路恒星での鉄・ニッケルです。
原子核合成（s 過程）
ここから先は上り坂、恒星の火は消鉄え、より重い元素はつくれません。
ウラン安定核だけを真横から見た図

1/BindingEnergy

50200

11 12 立体で見る核図表

GdEuSm60190（理論値含む。）

通常の原子核は電子で取り囲まれていて、その電子はマイナス電荷を持ち重さは陽子の約 2000分の１という軽さです。
※8「RIBF」：「RI ビームファクトリー」の略称。全ての元素の不安定原子核を生成しその性質を調べるために建設された、理研仁科加速器科学研究センターが世界に誇る原子核研究施設です。

↓6 魔法数↓※9「半減期」：放射性同位体が放射性崩壊を起こし、そのうち半分が別の核種に変わるまでの時間。
※10「非束縛核」：陽子数と中性子数がアンバランスで、原子核としてぎりぎり結合できないもの。
通常、原子核とは呼ばれません。
※11「ポテンシャルエネルギー」：粒子系の安定性を示す量で、低いほど系は安定です。陽子と中性子には強い引力（核力）が働くので、結合して原子核になる方がバラバラでいるよりポテンシャルエネルギーが低い安定な状態です。
※12「ハイゼンベルク」：ドイツの理論物理学者、ヴェルナー・カール・ハイゼンベルク。行列力学と不確定性原理によって量子力学を完成させた一人です。