第2章生命の化学的基盤

Atomic Number and Mass原子番号と質量

Atoms of each element contain a characteristic number of protons and electrons. The number of protons determines an element’s atomic number, which scientists use to distinguish one element from another. The number of neutrons is variable, resulting in isotopes, which are different forms of the same atom that vary only in the number of neutrons they possess. Together, the number of protons and neutrons determine an element’s mass number, as Figure 2.3 illustrates. Note that we disregard the small contribution of mass from electrons in calculating the mass number. We can use this approximation of mass to easily calculate how many neutrons an element has by simply subtracting the number of protons from the mass number. Since an element’s isotopes will have slightly different mass numbers, scientists also determine the atomic weight, which is the calculated mean of the atomic weights of its naturally occurring isotopes. Often, the resulting number contains a fraction. For example, the atomic mass of chlorine (Cl) is 35.45 because chlorine is composed of several isotopes, some (the majority) with atomic mass 35 (17 protons and 18 neutrons) and some with atomic mass 37 (17 protons and 20 neutrons).

英語のヒント

各元素の原子は、その元素に固有の数の陽子と電子を含む。陽子の数が元素の原子番号を決め、科学者は原子番号を使って元素を区別する。中性子の数は変わりうるため、中性子の数だけが異なる同じ原子の形態、すなわち同位体が生じる。図2.3に示すように、陽子と中性子の数を合わせると、元素の質量数が決まる。質量数を計算するときは、電子による小さな質量の寄与を無視することに注意しよう。この質量の近似を使えば、質量数から陽子の数を引くだけで、中性子の数を簡単に計算できる。ある元素の同位体は質量数がわずかに異なるため、科学者は、自然に存在する同位体の原子量の平均として計算される、元素の原子量も求める。その結果は、小数を含むことが多い。例えば、塩素（Cl）の原子の質量は35.45である。これは、塩素が複数の同位体からなり、その一部（大多数）は原子の質量が35（陽子17個と中性子18個）、別のものは37（陽子17個と中性子20個）であるためである。

Isotopes同位体

Isotopes are different forms of an element that have the same number of protons but a different number of neutrons. Some elements—such as carbon, potassium, and uranium—have naturally occurring isotopes. Carbon-12 contains six protons, six neutrons, and six electrons; therefore, it has a mass number of 12 (six protons and six neutrons). Carbon-14 contains six protons, eight neutrons, and six electrons; its atomic mass is 14 (six protons and eight neutrons). These two alternate forms of carbon are isotopes. Some isotopes may emit neutrons, protons, and electrons, and attain a more stable atomic configuration (lower level of potential energy); these are radioactive isotopes, or radioisotopes. Radioactive decay (carbon-14 decaying to eventually become nitrogen-14) describes the energy loss that occurs when an unstable atom’s nucleus releases radiation.

英語のヒント

同位体は、陽子の数は同じだが中性子の数が異なる、同じ元素の別の形態である。炭素、カリウム、ウランなどの元素には、自然に存在する同位体がある。炭素12は、陽子6個、中性子6個、電子6個を含むため、質量数は12（陽子6個と中性子6個）である。炭素14は陽子6個、中性子8個、電子6個を含み、原子の質量は14（陽子6個と中性子8個）である。この二つの炭素の形態は同位体である。同位体の中には、中性子、陽子、電子を放出し、より安定した原子の配置、すなわちより低い位置エネルギーの状態になるものがある。これらを放射性同位体、またはラジオアイソトープという。放射性崩壊（例えば、炭素14が崩壊して最終的に窒素14になること）とは、不安定な原子核が放射線を放出するときに起こるエネルギーの喪失をいう。

Carbon Dating炭素による年代測定

Carbon is normally present in the atmosphere in the form of gaseous compounds like carbon dioxide and methane. Carbon-14 (¹⁴C) is a naturally occurring radioisotope that is created in the atmosphere from atmospheric ¹⁴N (nitrogen) by the addition of a neutron and the loss of a proton because of cosmic rays. This is a continuous process, so more ¹⁴C is always being created. As a living organism incorporates ¹⁴C initially as carbon dioxide fixed in the process of photosynthesis, the relative amount of ¹⁴C in its body is equal to the concentration of ¹⁴C in the atmosphere. When an organism dies, it is no longer ingesting ¹⁴C, so the ratio between ¹⁴C and ¹²C will decline as ¹⁴C decays gradually to ¹⁴N by a process called beta decay—electrons or positrons emission. This decay emits energy in a slow process.

英語のヒント

炭素は通常、二酸化炭素やメタンのような気体の化合物として大気中に存在する。炭素14（¹⁴C）は自然に存在する放射性同位体であり、宇宙線によって、大気中の¹⁴N（窒素）に中性子が加わり、陽子が失われることで生成される。この過程は絶えず続くため、新たな¹⁴Cがつねにつくられている。生物は、光合成で固定された二酸化炭素を出発点として¹⁴Cを取り込むため、体内の¹⁴Cの相対量は、大気中の¹⁴Cの濃度と等しくなる。生物が死ぬと、それ以上¹⁴Cを摂取しなくなる。すると、電子または陽電子の放出であるベータ崩壊という過程によって、¹⁴Cが徐々に¹⁴Nへ崩壊するにつれて、¹⁴Cと¹²Cの比は低下する。この崩壊では、ゆっくりとエネルギーが放出される。

After approximately 5,730 years, half of the starting concentration of ¹⁴C will convert back to ¹⁴N. We call the time it takes for half of the original concentration of an isotope to decay back to its more stable form its half-life. Because the half-life of ¹⁴C is long, scientists use it to date formerly living objects such as old bones or wood. Comparing the ratio of the ¹⁴C concentration in an object to the amount of ¹⁴C in the atmosphere, scientists can determine the amount of the isotope that has not yet decayed. On the basis of this amount, Figure 2.4 shows that we can calculate the age of the material, such as the pygmy mammoth, with accuracy if it is not much older than about 50,000 years. Other elements have isotopes with different half lives. For example, ⁴⁰K (potassium-40) has a half-life of 1.25 billion years, and ²³⁵U (Uranium 235) has a half-life of about 700 million years. Through the use of radiometric dating, scientists can study the age of fossils or other remains of extinct organisms to understand how organisms have evolved from earlier species.

英語のヒント

約5730年後、最初の濃度の半分の¹⁴Cが¹⁴Nへ戻る。同位体の元の濃度の半分が崩壊して、より安定した形態へ戻るまでの時間を、半減期という。¹⁴Cの半減期は長いため、科学者は、古い骨や木材など、かつて生きていたものの年代測定に利用する。対象物の¹⁴C濃度と大気中の¹⁴C量の比を比較すると、まだ崩壊していない同位体の量を求められる。この量に基づいて、図2.4に示すように、コビトマンモスなどの資料が約5万年前を大幅にさかのぼらないものであれば、その年代を正確に計算できる。ほかの元素には、異なる半減期をもつ同位体がある。例えば、⁴⁰K（カリウム40）の半減期は12億5000万年、²³⁵U（ウラン235）の半減期は約7億年である。放射年代測定を用いることで、科学者は化石や、絶滅した生物のほかの遺骸の年代を調べ、生物が以前の種からどのように進化してきたかを理解できる。

OpenStax, Rice University; Biology 2e. (credit: Bill Faulkner, NPS) · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 2.4図 2.4

Scientists can determine the age of carbon-containing remains less than about 50,000 years old, such as this pygmy mammoth, using carbon dating. (credit: Bill Faulkner, NPS)

科学者は、炭素による年代測定を用いて、このコビトマンモスのように、約5万年前より新しい、炭素を含む遺骸の年代を求められる。（出典：Bill Faulkner、NPS）