炭素の同位体

炭素の同位体には、炭素8から炭素22まで15種類が知られており、そのうち2種類（炭素12と炭素13）が安定である。長寿命の放射性同位体である炭素14の半減期は5700年である。これは天然でみられる唯一の炭素の放射性同位体で、宇宙線との相互作用による14N + 1n → 14C + 1Hという反応で、痕跡量が生成している。最も安定な人工放射性同位体は炭素11で、半減期は20.334分である。その他の全ての放射性同位体の半減期は20秒以下であり、ほとんどが200ミリ秒以下である。最も不安定な同位体は炭素8で、半減期は10×10-21秒である。天然の存在量の平均をとった、炭素の標準原子量は、12.0107(8) uである。

炭素11
炭素11は、炭素の放射性同位体である。約99%は陽電子放出してホウ素11に、0.19-0.23%は電子捕獲してやはりホウ素11に崩壊する。半減期は20.38分である。

炭素11は、ポジトロン断層法で分子の放射性ラベリングによく用いられる。

天然同位体

炭素には、炭素12、炭素13、炭素14の3つの天然同位体が存在する。炭素12と炭素13は安定で、天然の存在比は、約99:1である。炭素14は、大気上層で宇宙線からの熱中性子により生成し、地表に下降して生物に吸収される。炭素14の存在比は無視できる程度であるが、半減期5700年の放射性を持つため、放射計で検出することができる。死んだ組織は、それ以上炭素14を吸収しないため、炭素14の存在量は放射年代測定に用いることができる。

 古気候 
12Cと13Cは海洋循環を説明する温度トレーサーとして使われる。より軽い同位体（12C）の方が、植物が光合成するときに吸収されやすいことが分かっており、そのときのプランクトン（浮遊生物）の大発生により大量の12Cが海に取り込まれる。もし海水が成層化して海洋循環が滞ると、プランクトンの死滅によって12Cが海底に沈降し、表層は比較的多くの13Cで満たされる。そして、深い場所から冷水がわき上がる場所（北大西洋）から12Cがもたらされる。過去の気候のトレーサーには熱帯種、サンゴの成長環などがある。

 食性と化石記録 
植物に含まれる炭素原子の安定同位体、炭素12と炭素13の比率は光合成の種類によって変わる。C4型光合成を行なう植物はC3型光合成を行なう植物よりも炭素13の比率が高い。これは植物を食べる草食動物、草食動物を食べる肉食動物にも食物連鎖を通じて影響を与え、化石になっても保持される性質がある。そのため炭素同位体の比率は化石として発見された動物の食生活を推定する情報として科学者に利用される。

 一覧 
 同位体核種 Z(p) N(n) 同位体質量 (u) 半減期 核スピン数 天然存在比 天然存在比(範囲) 励起エネルギー 8C 6 2 8.037675(25) 2.0(4) x 10-21 s [230(50) keV] 0+ 9C 6 3 9.0310367(23) 126.5(9) ms (3/2-) 10C 6 4 10.0168532(4) 19.290(12) s 0+ 11C 6 5 11.0114336(10) 20.334(24) min 3/2- 12C 6 6 12 by definition STABLE 0+ 0.9893(8) 0.98853-0.99037 13C 6 7 13.0033548378(10) STABLE 1/2- 0.0107(8) 0.00963-0.01147 14C 6 8 14.003241989(4) 5.70(3) x 103 years 0+ <10-12 15C 6 9 15.0105993(9) 2.449(5) s 1/2+ 16C 6 10 16.014701(4) 0.747(8) s 0+ 17C 6 11 17.022586(19) 193(5) ms (3/2+) 18C 6 12 18.02676(3) 92(2) ms 0+ 19C 6 13 19.03481(11) 46.2(23) ms (1/2+) 20C 6 14 20.04032(26) 16(3) ms [14(+6-5) ms] 0+ 21C 6 15 21.04934(54)# <30 ns (1/2+)# 22C 6 16 22.05720(97)# 6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms] 0+
 #でマークされた値は、全てが純粋に実験値から算出されたものではなく、一部体系的な傾向から導き出された推定値を含んでいる。明確なデータが得られていない核スピンに関しては、かっこ書きで表記している。
 数値の最後にかっこ書きで表記しているのは、その値の誤差を示している。誤差の値は、同位体の構成と標準の原子質量に関しては、IUPACが公表する誤差で表記しており、それ以外の値は、標準偏差を表記している。
 同位体存在比の正確さと質量数は変化によって制限される。天然存在比の範囲は、通常の地球上のどの場所でも同じはずである。
 すべての核種の原子量の標準として扱われるように12Cは特に重要であり、その原子量は12と定義されている。

出典

 参考文献 

 Isotope masses from Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).
 Isotopic compositions and standard atomic masses from Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683-800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005).
 Half-life, spin, and isomer data selected from these sources. Editing notes on this article's talk page.
 Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
 National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database (retrieved Sept. 2005).
 David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, online version. CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.

 関連項目 
 炭素12
 炭素13
 炭素14
 放射性炭素年代測定

Category:同位体の一覧
*