の存在を求めて

岡山大学温泉研究所報告 第35号(1964)51‑56/T3:

天然における

^247cm

の存在を求めて

梅 本 春 次

岡山大学 温 駁研究所 化学部門

247cmは人工 的にljFり出 されて以来,天然 にお ける存 在 は確認 されていなか ったが,1960咋 ソ連のCIIERDYN‑

TSEVらがペ グマタイ ト中の磁 鉄 鉱で2‑3U:23うUに異常 値 を見 出 し, これの原因 を超 ウラン元素 とLT:.アメ リ カでは1957年 には DIAMONDらが2/Egの247cmか ら

!主成す る24',Puをたよ りに217cmの半減期の最低 値 とし て4×107年 を与 え,SUESSandUREYの宇宙存在度 を 規 準 に して247cmの 残 存 の可能性 を論 じ,1961年 に ADLERは さらに残存 の可能性 を詳細 に検討 し, 先 カン ブ リア紀 の古い希 土 類 鉱 物 の中U含量の少 ない もの に ついて,期待で きる2iSU:2〇SUの異常 値を推定 した.

1961年CHERDYNTSEVらは さらに超 ウラン元素 の存在 巻数樺の鉱物中 に見 出 した と報 告 してい る.

さらに 1963年彼 らは測定法 に改良 を加 え,4.2‑4.6 MeVの領域 にお けるα線 スペ ク トルの微細構造 を解析

して,217cmの天然 における存在 を報告 し,あわせてそ の壊変生成物で ある243Am,239pu も認 め,247cmの半 減期 を2.5)く10当年 と推定 し,地殻 においては247cm:238U (放射能比)をnxlO4‑a)(1015としてい る. ところで FIELDSらは 1963年に EiTCmの半減期測定 を600倍の 検 出感度 で繰返 した結果,1.64×107年 とい う値を得,地 球上 における初生放射性核啓 として の217cmの残 存 の 可能性はな く,CHERDYNTSEVらの235U:23うUの異常値 は24:cm以夕日こよる もの と考 えてい る.1964年WETHE‑

RILLらはユ‑クセ ン石 よ り抽 出 した cm部分 について 質量分析 を行ない,:47cmの ピ← クを見 出せなか ったの で,10ー14g/g希土 とな りCHERDYNTSEVらの 10‑9g/郎 土 とは とて も一致 しない としてその報哲 を否定 してい る.

これ らの要 旨を筆者 の意見 と共 に年代順 に掲 げよ う.

* * *

cmは1944年,SEABORG,JAMES及 びGHIORSO(1944) によって発見 された.即 ち239puに 32MeVのヘ リウム･

イオンを照射 して 242cm を人工 的 に作 り出 したので あ る.其 の後95%の244cm と共 に247cm 0.01670を含 む 3mgのcmが得 られた(STEVENSetal.,1954).247cm

の壊変系列は次 の とお りで ある.

α ,γ

213Am l 239Np 8600y.

51

239p

u‑ α･γ

㌻ 2

3

5

U α,γ

2

4 4

^My

･

7.I×108y. ところで 1957年 以前 に試 み られた247cmの半減期の 測定 は測定試料が少 なす ぎて明確 な値が得 られなか った ので,DIAMOND等(1957)は2pgの247cmを含 む試料 によって次 に述べ る様な方法で測定 を行い4×107年 以上

とい う値を得 た.

2/Lgの247cmを含 む溶液 を陰 イオン交換で精製後,15

‑17時間経て陰 イオン交換 , フ ッ化物沈澱 ,水酸化物沈 潤 ,陰 イオン交換,TTA抽 出でPuを分離 ･精製 した.

収率 は244cmか ら生ず る240pu のα放射能の測定 によ って求 め,20‑60%とな った.243Puの放射能 は β線 と 84keVの γ線 の コインシデ ンスで測定 した.計数効率 は242puか ら得 た243Puを用いて求 めた.実験誤差 は17 570と推定 した.243Pu に対す る最高 値 として0.05cpmを 得 ,半減期は9×107年 以上 とな る. ひか え目にみて0.1 cpmとな り,:47cmの α壊変 の半 減期 は最低4×107年

とい うことにな る.

上述の様に 247cmが壊変 して長寿命 の235Uにな るが, 若 し 247cm の始原存在度が十分大 きく又半減 期が十分 長 ければ年代 の若 い鉱物 中で さえ も235U:23BUの大 きい ウランが含 まれてい る事 にな る. しか し一般 に天然 にお ける235U:9‑3弓Uは一定 とされてお り(SENFTLEetal., 1957;HAMAGUCHIetal.,1957;HAMERetal.,1960;

SMITl寸etal.,1961),新 しく測定 した半減期 に基づいて

52 梅 本 247cmの天然における残存の可能性についてDIAMOND 等(1957)は次の様に推諭 した.

SUESSandUREYの宇宙存在度の値すなわち原子数に して希土類の1/1000とい う値は2桁以内で正 しい と思 う が,天然における235U:2380 比の異常を見つけて247cm の存在を確かめるためには,可能性を推測す るのに100 とい う値は重大である.直接247cmを見出す方法を考 え た として,質量分析計の検出限界を1015原子の希土に対 して247cml原子 とし,地球の年令を50億年 として,翠 減期は1.3×10う年 を必 要 とす る.235U:238Uの値 か ら 247cmの存在を知ろ うとす る場合,247cmの合成後247cm の半減期の7倍以内にUとcmが別の鉱物に入 った とし て希土類の1/1000のUを含む希土類鉱物で2%の235U:

238Uの増加が見 られることになる.したがってUの少 ない古い鉱物で濃縮がみ られるわけである.

続いてAt)LER(1961)はcmの地球化学的親和性,檎 原存在度の推定値を用いて,235Uの過剰の現われている 場合の可能性を次の様に検討 している.

原子燃料 としての 235Uを著 しく多量に含むウランの 入 った鉱物がみつかれば, これを特別に採掘すれば有利 であるが,天然 ウランについて235U:23BUは1/138とい う値が一定値 とされている.地球形成の際にウランの同 位体比が一定で,同位体分別や どちらかの同位体の添加 がなかった とすれば もっともなことである.ところで年 代決定 (鈷法)に際 して間々207Pbの過剰が認め られ,放 射性起源鉛の添加が列か らの235Uによると解釈す るこ ともで きるが, このよ うな考慮が払われないの も現状か らみれば当然である.DIAMONDらの提案 もウラン鉱に ついては見込みはな く副成分 として ウランを含む鉱物に ついては興味がある.

それには 247cm の半減期,地球化学的親和性および その鉱物中の247cmのUに対す る始原存在比が知 られ ているかまたは推定 されていなければな らない.鉱物 と しては希土類含量の高いモナズ石,褐簾石,バス トネサ イ ト,セル石などが考 えられる (化学的にはcmはGd に似ているが イオン半径はNdに近い と考 えられ,軽希 土を多 く含む鉱物が有利 ).21倍年の年令のモナズ石に ついて,地球の年令を50億年,247cmの半減期を1.3×

108年,247cmの始原存在度を希土の1/1000とすれば, た とえU含量が0･05% として も現在では235Uは1×

108

%

以上は増加 していない ことになる.25億年の年令 のモナズ石では247cmか らで きた235Uは10倍 とな り, 初めか らの235Uは2倍 しか入 って来なかった事 にな り, 条件は良 くなる.38億年のモナズ石では247cmか らで き た235Uは10,00015,初めか らの235Uは5倍 となる.235U

春 次

が2倍の同位体存在比を持つ条件 として38倍年のモナズ 石で0.001%のU含 最の もの となる.

かかる議論が行われている最中, CHERDYNTSEV等 (1960)は235Uの40‑60TL過剰を見出した と次の様に報 告 している.

1‑3億年の年令の磁鉄鉱 (ペグマタイ ト中)のUのα 線 スペ ク トロメ トリーによ り, 235U:238Uの値が通常の ウランの1.4‑1.6倍 とな り,中性子照射による核分裂片 の測定によって も 1.3とい う値を得,これは明 らかに超 ウラン元素が現在 もなお天然に存在す るか らである.ま た この試料ではAcが平衡値よ り多 く, これは同一核種 の2種類の壊変によって奇数核のUの同位体 と共にAc がで きた可能性がある.(第1図)

Energy,hteV

第1図 磁鉄鉱か ら分離 したウランのα線スペ ク トル 続いてCHERDYNTSEV等(1961)は意欲的に多 くの鉱 物について ウランの同位体存在比を測定し, 23rJU:23SU の異常値のある例 を追加 した.

各種の鉱物中のUについて,α線 スペク トロメ ト1)‑

と中性子照射による核分裂片のエネルギー測定によって, Uの同位体存在比の測定を行なった.234U:2380 (放射 能比)は0.85‑1.50にわた り,これは鉱物か らのUの 抽 出,再結晶または U の添加によると考 える.ペグマ タイ ト中の磁鉄鉱,西パ ミ‑ルの輝水鉛鉱,石灰石,中 央 アジアの磁鉄鉱,ジル コン中の U が通常よ り大 きい

天然 における247cmの存在 を求めて 235U:23BUを示 した(正常値の1.05‑1.45倍).この2.ri5U

の過剰は初生の超 ウラン元素が存在す ることを明確 に示 唆す るものである.試料はアルプス造山運動の時期の岩 脈か ら得 られた ものであるか ら,超 ウラン元素が現在 も なお存在 しているにらがいない.二,三の鉱物巾の希土 類部分の超 ウラン元素 による放射能を測定 したが,見つ か らなかった.またAcと235Uが過剰 にあることには 関係があると考 えられるが,Acの過剰を含む 1次鉱物 でUは正常の同位体組成を持 っていた.

以上の235Uの過剰は247cmによると考 えたCHERD‑

YNTSEV等(1963)は直接247cmと共に同じ超 ウラン元 素である244Puを地質年代の若い試料について見lrjjそ う

とした.仲々困難な実験であるが,247cmの存在を確認 した とい う次の様な結果を発表 した.

半減期の長い244Pu(7.5‑7.6×107年 )と247cm(≧4

×107年)を探すために,4.2‑4.6MeVおよび5.0‑5.3 MeVの範囲のα線 スペ ク トルの観察 を行なった.前者 の範囲では電子収赦法を利用 した電離画によるα線 ス ペク トル とα

‑

γコインシデンス (γ:90‑250keV)によ って測定を行なった.それぞれ半値巾40keV,120keV であった.40‑100gの試料か らUおよびThを分離 し, 電着 して測定試料 とした.50試料中敷試料 (新第三紀の ペグマタイ ト中の輝水鉛鉱,上部旧石器時代のマンモス の化石など)について とくに詳細な測定を行ない,4.32

‑4･48MeVの範囲に過剰の放射能のあることがわか り, これは4.36,4.45,4.53MeVの ピークであるが,分離 の十分行なわれた U部分には認め られなかった.すな わちこれは 235Uによるものでな く,中性子照射による 核分裂片の速度の測定の結果,核反応断面積か らも235U

(S‑]u⊃3^I

IDJ

呈slur,｡U

53

でない ことを確かめた.上記の輝水鉛鉱 と天然水中のU 部分か ら259pu(5.15MeV)の存在 を確認 した.他の輝 水鉛鉱か らのPu,Th,cm‑Am部分に239puを認めた.

cm‑Am部分か らは上記の3ピークの他4.21‑4･30MeV と4.52‑ 4.60MeVの簡閲にピークがあ り,243Amの 5.27Mevの ピークを認めた. これ ら4.2‑4.6MeV領域 の放射能異常は 247cm によると考 えるが,エネルギー は計 算 値 よ りかな り低い.このよ うな若 い 鉱 物 巾 に 247cmの見つか ったことは注 目すべ きことで,後,ftnのペ グマタイ ト化の際に極端な分別が起 った と考 える.すで に報告 した235Uの過剰は少な くともある程度247cmに よる可能性がある.試料中の247cmの含量は〜nxlO‑ラ

%(247cm:23SUの放射能比はnXIO 2)で地殻ではその 1/100‑1/1000であろ う.半減期は(2.5土0.5)×10う年 と推定 される.ある放射性鉱物の Pu:U の高い ことや 古い鉱物中に207Pbの多い ことは247cmに帰することが で きる (第2回,第3図).

これ ら一連の成果 について,関心を持つ研究者の困 る 事は用いた試料の出所やその附近の詳細な地質状況がわ か らない事であ り, 239puの議論の際 フォール ･アウ ト に言及 されていないので,考慮 に入 っているか どうか不 明な事である.なお可成 り安定 した測定条件が数 日にわ たって保たれている必要があるが,これについて明記 さ れていてはしい もの と考 える.ここで 247cmの半減期 として(2.5土0.5)×108年 とい う値が得 られ,DIAMOND 等(1957)とは別の方法でしか も一致 した値 となったが, 前回の測定 を不十分 としてFIELDS等(1963)は247cm の半減期の再測定を行い,次の様に報告 している.

以前DIAMOND等(1957)は247cmの半減期の最低限

第2図 235U領域のα線スペ ク トル (実線は通常の ウランのスペク トル)

として4)く107年 と報告 し,247cm が天然 にみつか る可能性があると した.W ETHERILLらは247cmは 希土 に対 して < 1014g/gと報告 し本研究室での同様な研究ではく 1.9×101 6g/gとなった.一方, CHERDYNTSEVらはガ ドリン石, 磁鉄鉱,輝水鉛鉱で 235Uの多い

ウランを発見 した と報告 している.

ここで 247cm の半減期の正確な 測定が必要 とな り, 前の30倍の 247cmを含むcmで測定を行ない,

しか もマス ･セパ レータ ーで 質 量243の部分が243Puの放射能特 性を示す ことを確かめた. この結 果247cmの半減期 (1.64土0.24)×

3.99 4.254.304.46

4 . 6 0

5.27 5.495MeV

節3

図 輝水鉛鉱か ら分離 したcm‑Am部分の α線 スペ ク トル

107年 を得 た.すなわ ち陰 イオン交換で精製 したcmを 22‑70時間放 置し,陰 イオン交換,TTA抽 出,陰 イオ ン交換で分断 したPuの放射能測定2回 とマス ･セパ レ ーターによって得た質量243の部分の放射能測定2回の 平均値 として上の値 を得た. これ ら4測定値の問の違い は10%以下であった.前の実験では242cmか らで きる 238puの放射能のために2重3ptlの放射能の探索は非常 に複 雑 なので,βイ コインシデンスを用いたが,232壊変の 中の一つ しか検出で きなか った. したがって検出限抑 ま 0.1cpmとな り,放射能の確認がで きなか ったが,今 回 は0.2cpmであって,247cmが30倍であった ことおよ び^238puによるバ ック ･グラウン ドが小 さい ことによっ て検出感度は600倍 となった.1.64×107年 とい う半 減 期 によれば,地球上 に初生の217cmの存在す る可能性が な くなった.この結果か らCflERDYNTSEVらの報告にあ る235Uの多いUの原因が247cmである可能性は乏 しい.

即 ちFTELDS等 は この新 しい半減期の値か らCLIERD‑

Y7ヾTSEV等の247cmの発見 を否定 したわけである.一方 WETHERILL等 (1964)は この新 しい半減期 を考 えに入 れて247cmの恒接 の検出に努めたが不成功 に終 り,これ 亦CHERDYNTSEV等 の結果 を次の様 に否定 してい る.

247cmは人工超 ウラン元素の一つであるが,その半減 期が長いために天然 に残存す る可能性 について論 じられ て きた.半減期が105年 の桁であれば化学的な性質が類 似 してい るために希土類鉱物叫 こ見出 され る可能性が あ ると考 えられ るが,最近の測定 によれば1.64×107年 で 129I程度である. しか るにソ連の CflERDYNTSEV&

MIKHAILOV(1963)によ り輝水鉛鉱rrlに101 0g/g程度

見出 された とい う報告がある.著者 らは多量の重希土 中 か ら抽 出を試み 10¶14g 247cm/g希土 以下 であることを 示 した.すなわちユークセン石よ り抽 出 され た 1.5kg 希土 を含む溶波よ り出発 し, これに6×10p川gの242cm を トレーサー として加 え,化学的にcmの部分 を抽 出, 精製 した.まず陽 イオン交換 によ りNH4EDTAで粗分 離 を行なった.242cmを含 む部分 をα計数法をたよ りに 取出 し, さらにNH4SCNによる陰 イオン交換で希土 と 超 ウランの分離 を行なった.最後 に表面電離法によって

質

きま分析を試みたが242cmの ピ‑クのほかに247に相当 す る ものは認め られなかった.すなわ ち 1.5kg希土申 1011g以下 と考 えられ るわけであるが, この ことか ら上

記のよ うな上限値を得てい る.ソ連の報告にしたが えば 希

土r

i=rlO9g/g程度の存在が,unf寺きれ る筈であるか ら,

この実験で否定 された ことにな る.

現在 までの ところ, もっとも半減期の短い初生天然放 射能は古 くか ら知 られてい るよ うに,7×105年の235Uと い うことにな る. しか し,247cmの壊変系列は 235Uを 通 るので24TCmの "化石"がextinctradioactivityとし て 三う5Uの存在度 に見 L卜T,され る可百雛とはまだ残 されてい るとい えよ う.

CHERRY等(1964)は次の様な実験 を行ない4.4MeV の ピ‑クを発見 した と報告 した.

CIIERDYNTSEV

&

MIKTiAII.OVが若い鉱物 中のUお よびTh部分の 4.2‑4.6MeV領域に複雑 なスペ ク トル を持つ α放射体があ り, これを 247cm とした.New Hampshire,U.S.A.のConway花 コウ岩中の トール 石 数pgを酸 に溶か し,ステンレス ･スチールの皿の上

天然 にお ける247cmの存在 を求めて で蒸発乾固 し,半導体検 相.器 を用いたα線 スペ ク トロメ

‑タ‑で測定 して,4.4MeVの ピ‑))を得たが,何 によ るものか不明である(この時の分解能5‑107C),このα線 スペ ク トルで,Th系列 と考 えて異 聞なのは 1)4.38 MeVの ピーク, 2)4.77MeVの小ピ←クであるが,倭 者 は234U,226Ra,230Thな どU系列の ものによると考 え

ち.

4.25‑4.55MeVの α放射体は215U(主 として4.40 MeV)と236U (4.45MeVと4.50MeV)で,236Uは半減 期2.4×107年で とて も天然 に残存 しそ うもない し,235U として も普通の値の1‑2桁高い異IE御直になるか ら. こ の4.4MeVの ピ‑クは実験的に禾測定のα放射体 によ る ものであろ う. これは247cmか244puの何れか と思 う が,つ ぎの理由か らCHERDYNTSEVらのヱ47cmは信用 し ない. 1)247cmの半減期を(2.5｣二0.5)×10弓年 とし てFIELDSらの値 に一億 しない.2)247cmの壊変 エネル ギが一致 しない. ところで 24iPu も半減期が(7.6±2)

×107年では とて も残存 しそ うにない.

今後行な うべ きことは a)他の試料 について も 4･4 MeVの放射能を見 出す こと.b)化学的に処理 した実験 を行な うこと.e)244Puの半減期 ･壊変 エネルギーの再

SIunOU

︼0

LQqulnN

2 4 6

8

70

α･porI･cle energy (仙eV)

第4図 トール石 を酸 に溶か し,ステンレス皿上 に 乾固 した測定試料 によって得 られたα線 スペ ク トル

55

測定 を行な うことである (第 4図).

司成 り大胆な実験 と結論 と考 えられ るが,今後の方向 が予告 されてい るので,将来の成果 に期待がかけ られて い るわけである.

以上年代順 に247cmの存在 を追いかけた研究の成果 を 紹介 したが,ソ連 とアメ リカ とで夫 々異 った報告が行わ れてい る. これを整理 してみ ると,

1)実験 に用いた試料の出所が明記 されていない.

2)微弱放射能の測定条件が明 らかでない.

3)α線のエネルギー測定 には余 り満足 でない試料作製 で実験 を進めた.

とい う様な心残 りがある様 に考 える.

したが って.FIELDS等の新 しい247cmの半減期を も とにADLERの推測 にしたが って,十分な可能性の考 え られ る試料 について,異 った実験方法 を も考 えに入れた 研究を更めて行 うべ きであろ う.

文 献

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