ルビジウムは、元素記号Rb、原子番号37の化学元素である。ルビジウムは、アルカリ金属に属する非常に柔らかい銀白色の金属である。金属ルビジウムは、外観、柔らかさ、導電性において、金属カリウムや金属セシウムと類似している。ルビジウムは大気中の酸素の下では発熱反応を起こし、時には発火することもあるため、保管することができない。
ルビジウムはアルカリ金属の中で初めて水より高い密度を持つ金属であり、グループの上の金属とは異なり、沈む性質がある。ルビジウムの標準原子量は85.4678である。72％が安定同位体85Rbで、28％がわずかに放射性同位体87Rbです。半減期は488億年で、これは宇宙の推定年齢の3倍以上の長さです。
ルビジウムは、1861年にドイツの化学者ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフが、新しく開発した火炎分光法という手法で発見した。名前の由来は、ラテン語で発光スペクトルの色である深紅を意味するrubidusからきている。ルビジウムの化合物は、様々な化学的・電子的応用が可能である。ルビジウム金属は気化しやすく、都合のよいスペクトル吸収範囲を持つため、レーザーによる原子操作のターゲットとしてよく利用される。ルビジウムは生物の栄養分としては知られていない。しかし、ルビジウムイオンはカリウムイオンと似た性質と同じ電荷を持っており、動物細胞に活発に取り込まれ、似たような扱いを受ける。
ルビジウムの基本情報
| 和名 | ルビジウム |
|---|---|
| 英名 | Rubidium |
| 語源 | ラテン語「赤い(rubidus)」 |
| 元素記号 | Rb |
| 原子番号 | 37 |
| 原子量 | 85.47 |
| 常温（25℃）での状態 | 固体（金属） |
| 色 | 銀白色 |
| 臭い | – |
| 密度 | 1.532 g/cm3（20℃） |
| 融点 | 38.89℃ |
| 沸点 | 688℃ |
| 発見者 | ブンゼン, キルヒホフ（ロシア）[1861年] |
| 含有鉱物 | リチア雲母 |
ルビジウムの主な特徴
- アルカリ金属元素で、周期表第1族に属す
- 銀白色の柔らかい金属で、空気や水と激しく反応する
- 水と接触すると発火することもある
- 比較的高い電気伝導性と原子質量を持ち、化学的にはカリウムやセシウムに類似している
- 自然界では主に塩鉱やカリ鉱などに微量存在し、通常は他のアルカリ金属と共に見出される
ルビジウムの歴史
発見
ルビジウムは、レピドライトの微量成分である。キルヒホフとブンゼンは、わずか0.24%の一酸化ルビジウム（Rb2O）を含むレピドライトを150 kg処理した。カリウムもルビジウムもクロロプラチン酸と不溶性の塩を形成するが、それらの塩は熱水への溶解度にわずかな差がある。そこで、より溶解度の低いルビジウムのヘキサクロロプラチネート（Rb2PtCl6）を分別晶析することで得ることができた。このヘキサクロロプラチネートを水素で還元すると、0.51グラムの塩化ルビジウム（RbCl）が得られたので、さらに研究を進めた。ブンゼンとキルヒホフは、44,000リットル（12,000 US gal）のミネラルウォーターを使って、セシウムとルビジウム化合物の最初の大規模な分離を開始し、7.3グラムの塩化セシウムと9.2グラムの塩化ルビジウムを獲得した。ルビジウムは、ブンゼンとキルヒホフによる分光器の発明からわずか1年後、セシウムに次いで2番目に分光法で発見された元素であった。
二人は塩化ルビジウムを使って、この新元素の原子量を85.36と推定した（現在では85.47が通説となっている）。彼らは、溶融した塩化ルビジウムを電気分解して元素ルビジウムを生成しようとしたが、金属ではなく、「肉眼でも顕微鏡でも金属物質の痕跡が少しも認められない」青い均質な物質が得られた。彼らは、これを副塩化物（Rb2Cl）であった。しかし、この生成物は、金属と塩化ルビジウムのコロイド状混合物であったと思われる。金属ルビジウムを作る二度目の試みは、ブンゼンが炭化した酒石酸ルビジウムを加熱してルビジウムを還元することであった。蒸留されたルビジウムは自然発火したが、密度と融点を決定することができた。密度は0.1 g cm-3以下、融点は1℃以下の誤差しかないことから、1860年代のこの研究の質の高さが伺える。
ルビジウムのわずかな放射能は1908年に発見されたが、それは1910年に同位体論が確立される前のことであり、その放射能レベルの低さ（半減期1010年以上）が解釈を複雑にしていた。現在では証明されている87Rbがベータ崩壊によって安定な87Srになることは、1940年代後半にはまだ議論されていた。
ルビジウムの工業的価値は1920年代以前はほとんどなかった。それ以来、ルビジウムの最も重要な用途は研究開発であり、主に化学および電子分野での利用である。1995年、ルビジウム-87はボーズ-アインシュタイン凝縮の生成に用いられ、その発見者であるエリック・アリン・コーネル、カール・エドウィン・ヴィーマン、ウォルフガング・ケッテルは2001年にノーベル物理学賞を受賞した。
名前の由来
1861年、ドイツのハイデルベルクに住むロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフが、火炎分光法によってレピドライトという鉱物から発見しました。その発光スペクトルに明るい赤色の線があることから、ラテン語で「深い赤」を意味するrubidusに由来する名前が付けられた。
ルビジウムの主な用途
ルビジウムはその化学的特性と物理特性を活かして、さまざまな応用があります：
- 原子時計： ルビジウム原子時計は高精度で小型化に優れ、通信機器やGPSで利用
- イオンエンジン燃料： 宇宙探査機用の電気推進で試験的に使用
- 光ポンピング： レーザー分光や量子測定装置で利用される
- 写真材料・特殊ガラス： 熱電子放出や非線形光学用途
- 医療用アイソトープ： 放射性同位体 Rb-82 は心臓のPET診断で使用される
アルカリ金属であるルビジウム（Rb）は、反応性が高く、比較的希少であるため、日常的な用途に遭遇することはない。しかし、そのユニークな特性により、いくつかの専門分野では貴重な材料となっている。
精密計時と原子時計
ルビジウム原子時計
ルビジウム蒸気は原子時計に広く使われている。ルビジウム原子時計は、ルビジウム原子の超微細遷移周波数を周波数標準として使用している。ルビジウム原子時計は、セシウム原子時計ほど正確ではないが、より小型で手頃な価格であり、不確かさも十分に低いため、電気通信、ナビゲーション、ネットワーク同期など、多くの実用的な用途に使用されている。
レーザー応用と分光学
レーザー冷却とトラッピング
ルビジウムの良好な原子構造は、超低温原子やボーズ-アインシュタイン凝縮体の生成につながるレーザー冷却実験の優れた候補となる。これらの研究努力は、科学者が量子現象を探求し、精密測定技術を進歩させるのに役立っています。
ルビジウム蒸気レーザーと分光学：
ルビジウム化合物や蒸気は、レーザー分光法や特殊なレーザーシステムに使用されています。ルビジウムの輝線は、分光装置の校正や、ある種のルビジウム蒸気レーザーに有用である。
基礎物理学の研究
量子力学と凝縮系研究：
ルビジウムは、そのよく理解された原子遷移と絶対零度近くまで冷却できる能力により、世界中の研究室の定番となっている。ルビジウムは、量子光学、原子物理学、新しい物質の量子状態の研究の中心的存在である。
ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）：
安定同位体であるルビジウム-87は、BEC実験に頻繁に使用される。その特性により、研究者は、基礎物理学と将来の量子技術の可能性の両方にとって重要な凝縮体を作り、研究することができる。
特殊用途と化学研究
触媒作用と材料科学
他のアルカリ金属に比べて一般的ではないが、ある種のルビジウム塩（塩化ルビジウムなど）は、有機合成や材料研究の触媒や試薬として使用されることがある。
特殊ガラスのドーパント
一部のハイテク用途では、ルビジウムをドーパントとして使用して、レーザーやその他のフォトニクス用途のガラスやセラミックの光学特性を変えることができる。
ルビジウムは、他の元素ほど消費者向け製品に広く使用されているわけではないが、そのユニークな原子特性により、最先端の研究や特定の技術用途には欠かせないものとなっている。高度な原子時計や精密分光法を可能にすることから、量子物理学やボーズ・アインシュタイン凝縮における画期的な実験を促進することまで、科学的発見におけるルビジウムの役割は重要であり続けている。
ルビジウムの生成方法
ルビジウムは自然界に微量存在し、以下の方法で抽出・製造されます。
- 鉱石処理：レピドライトやカルナライトから他のアルカリ金属と共に抽出
- イオン交換・溶媒抽出：カリウムやセシウムからの分離精製に用いられる
- 金属還元法：RbCl や Rb₂CO₃ をカルシウムやナトリウムで還元し金属を得る
ルビジウムを含む化合物
ルビジウムは +1 の酸化数で化合物を形成し、以下のような代表的化合物があります。
- ルビジウム塩（RbCl, RbBr, RbNO₃）： 無色の結晶。水に良く溶け、光学材料に使用
- ルビジウム酸化物（Rb₂O）： 非常に反応性が高く、酸化力を持つ
- ルビジウムハロゲン化物： 結晶構造解析や非線形光学研究に活用
- 金属錯体： 有機合成や触媒化学でも用いられる例あり
ルビジウムに関する研究事例
ルビジウムは原子物理学や量子科学の分野で特に注目されています。
- ルビジウム原子時計：Rb-87 の遷移を利用した周波数標準
- ボース＝アインシュタイン凝縮：超低温下でのRb原子の凝縮現象研究
- 量子センサー技術：Rbガスセルを用いた磁場・重力場センサー
- PET用心筋血流診断剤：心筋血流のリアルタイム可視化
- スピンの光制御：レーザー冷却による高精度測定技術
ルビジウム原子時計
ルビジウム標準は、最も安価で、コンパクトで、広く生産されている原子時計であり、テレビ局、携帯電話基地局、試験装置、GPSのような全地球航法衛星システムの周波数制御に使用されている。市販のルビジウム時計は、一次周波数標準となるセシウム原子時計よりも精度が低いため、通常は二次周波数標準として使用される。
市販のルビジウム周波数標準は、水晶発振器を6.8GHz（6834682610.904Hz）のルビジウム超微細遷移に合わせることで動作する。共振セルを介して光検出器に到達するルビジウム放電ランプからの光の強度は、共振セル内のルビジウム蒸気が遷移周波数付近のマイクロ波電力にさらされると、約0.1％低下する。水晶発振器は、（水晶を基準とする）RFシンセサイザーを遷移周波数で掃引しながら光のディップを検出することにより、ルビジウム遷移に安定化される。
W. J. Riley, “A History of the Rubidium Frequency Standard”, IEEE UFFC-S History, 2019. [pdf]
ボース＝アインシュタイン凝縮
ボース＝アインシュタイン凝縮（Bose–Einstein Condensate, BEC） は、ボース粒子と呼ばれる整数スピンを持つ粒子が、極低温環境（絶対零度に近い温度）において、その大部分が同一の量子状態、つまり基底状態を占めることで形成される物質の新しい相（フェーズ）です。この現象は、1924年にインドの物理学者サティエンドラ・ボースとアルベルト・アインシュタインによって理論的に予測されましたが、1995年にルビジウム原子を用いた冷却実験によって初めて実現されました。
BECでは、個々の粒子が持つ波動関数が重なり合い、区別できなくなるため、物質全体が一つの巨大な波のように振る舞います。これは量子力学の法則がマクロなスケールで観測可能になる稀有な例です。BECは、超流動性や量子干渉といった現象を示し、量子情報処理、精密測定、原子時計、さらには量子シミュレーションなど、先端技術への応用も期待されています。
このように、ボース＝アインシュタイン凝縮は、量子統計力学と物質科学の交差点にある現象であり、現代物理学における重要な研究対象となっています。
参考図書