放射性崩壊の種類：アルファ、ベータ、ガンマ

​放射性あまりよく理解されていない言葉です。 恐怖に襲われ、本質的に異星人で危険に見える放射性崩壊の性質は、あなたが物理学の学生であるか、単に興味のある素人であるかについて学ぶ価値のあるものです。

現実には、放射能は本質的に、元素の原子番号の変化および/またはガンマ線の放出につながる核反応を表します。 放出される放射線は「電離」しているため、大量に危険です（つまり、原子から電子を取り除くのに十分なエネルギーがあります）。 しかし、これは興味深い物理現象であり、実際には、ほとんどの人が危険にさらされるほど放射性物質の周りにいることはありません。

原子核は核融合によってより低いエネルギー状態を達成することができます-それは2つの原子核が一緒に融合してより重いものを作り出すときです 核、その過程でエネルギーを放出する-または核分裂によって、重元素をより軽いものに分裂させる もの。 核分裂は原子炉や核兵器のエネルギー源であり、特にこれはほとんどの人が放射能について考えるときに想像するものです。 しかし、ほとんどの場合、原子核が自然界でより低いエネルギー状態に変化するとき、それは放射性崩壊に帰着します。

放射性崩壊には、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊の3種類がありますが、ベータ崩壊自体には3つの異なる種類があります。 これらの形態の核崩壊について学ぶことは、あらゆる核物理学コースの重要な部分です。

アルファ崩壊は、原子核がいわゆる「アルファ粒子」（α粒子）を放出するときに発生します。 アルファ粒子は、2つの陽子と2つの中性子の組み合わせであり、周期表を知っていれば、ヘリウム原子核として認識されます。

このプロセスは、結果として得られる原子の質量と特性の観点から理解するのはかなり簡単です。 その質量数（陽子から2つ、電子から2つ）と原子番号から2つ（2つの陽子から） 失われた）。 これは、元の原子（つまり、「親」核）がアルファ崩壊を受けた後、（「娘」核に基づいて）別の要素になることを意味します。

アルファ崩壊で放出されるエネルギーを計算するときは、ヘリウム原子核の質量と 親原子の質量から娘原子を取り出し、アインシュタインの有名な原子を使用してこれをエネルギーの値に変換します 方程式E​ = ​mc​². 通常、原子質量単位（amu）で作業し、欠落している質量に係数を掛けると、この計算を実行する方が簡単です。

ベータ崩壊には3つの異なる種類があるため、それらの間には多くの類似点がありますが、それぞれについて順番に学ぶことは役に立ちます。 ベータプラス崩壊とは、陽子が中性子に変わり、ニュートリノと呼ばれる非荷電のほぼ質量のない粒子とともにベータプラス粒子（つまり、β+粒子）が放出されることです。 このプロセスの結果、娘原子は親原子よりも陽子が1つ少なく、中性子が1つ多くなりますが、全体の質量数は同じになります。

ベータプラス粒子は実際には陽電子と呼ばれ、電子に対応する反物質粒子です。 それは、電子の負電荷と同じサイズの正電荷と、電子と同じ質量を持っています。 放出されるニュートリノは、技術的には電子ニュートリノと呼ばれます。 このプロセスでは、通常の物質の1つの粒子と反物質の1つの粒子が放出されることに注意してください。

この崩壊過程で放出されるエネルギーの計算は、他の形式の場合よりも少し複雑です。 親原子の質量には、娘原子よりも1つ多い電子の質量が含まれるため、崩壊します。 質量。 これに加えて、プロセスで放出されるβ+粒子の質量も差し引く必要があります。 基本的に、娘粒子の質量を差し引く必要があり、二親粒子の質量からの電子は、前と同じようにエネルギーに変換されます。 ニュートリノは非常に小さいので、安全に無視することができます。

ベータマイナス崩壊は本質的にベータプラス崩壊の反対のプロセスであり、そこでは中性子が 陽子、ベータマイナス粒子（β-粒子）と電子反ニュートリノを放出します 処理する。 このプロセスのため、娘原子は親原子よりも中性子が1つ少なく、陽子が1つ多くなります。

β-粒子は実際には電子ですが、崩壊のベータ放出が最初に発見されたとき、粒子が実際に何であるかを誰も知らなかったため、この文脈では別の名前が付けられています。 さらに、それらをベータ粒子と呼ぶことは、それがベータ崩壊プロセスから来ていることを思い出させるので便利です。 それぞれで何が起こっているのかを思い出そうとしています–正のベータ粒子はベータプラス崩壊で放出され、負のベータ粒子はベータマイナスで放出されます 減衰。 この場合、ニュートリノは反物質粒子ですが、この場合も、1つの反物質と1つの通常の物質粒子がその過程で放出されます。

このタイプのベータ崩壊で放出されるエネルギーの計算は、娘原子が持つ余分な電子がベータ放出で失われた電子と相殺されるため、少し簡単です。 これは、Δを計算することを意味しますm、親原子の質量から娘原子の質量を引くだけで、光速の2乗を掛けます（c​²）、前と同じように、原子質量単位あたりのメガ電子ボルトで表されます。

最後のタイプのベータ崩壊は最初の2つとはかなり異なります。 電子捕獲では、陽子が電子を「吸収」して中性子に変わり、電子ニュートリノが放出されます。 したがって、これにより、原子番号（つまり、陽子の数）が1つ減り、中性子の数が1つ増えます。

これは、これまでのパターンに違反しているように見えるかもしれません。1つの物質と1つの反物質粒子が放出されていますが、このバランスの実際の理由を示唆しています。 「レプトン数」（「電子ファミリー」数と考えることができます）は保存されており、電子または 電子ニュートリノのレプトン数は1ですが、陽電子または電子ニュートリノのレプトン数は −1.

他のすべてのプロセスがこれを簡単に実行することがわかるはずです。 電子捕獲の場合、電子が捕獲されるとレプトン数が1減少するため、これをバランスさせるには、レプトン数が1の粒子を放出する必要があります。

電子捕獲で放出されるエネルギーの計算は非常に簡単です。電子は親原子から来るため、 親と娘の間の電子数の違いを考慮する必要はありません 原子。 あなたは∆を見つけますm親原子の質量から娘原子の質量を引くだけです。 プロセスの式は通常、左側の電子で記述されますが、単純なルールは、これが実際には質量の観点から親原子の一部であることを思い出させます。

ガンマ線の崩壊には、高エネルギーの光子（電磁放射）の放出が含まれますが、原子内の陽子と中性子の数は、プロセスの結果として変化しません。 これは、電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態に遷移するときの光子の放出に似ていますが、この場合の遷移は原子核で発生します。

同様の状況と同様に、高エネルギー状態から低エネルギー状態への遷移は、光子の放出によってバランスが取られます。 これらは10keVを超えるエネルギーを持ち、一般にガンマ線と呼ばれますが、定義はそれほど厳密ではありません（たとえば、エネルギー範囲はX線と重複します）。

アルファまたはベータ放出は、核をより高エネルギーの励起状態のままにすることができ、これらのプロセスの結果として放出されるエネルギーは、ガンマ線の形で行われます。 ただし、原子核は、別の原子核と衝突した後、または中性子に衝突した後、高エネルギー状態になる可能性もあります。 すべての場合の結果は同じです。原子核は励起状態から低エネルギー状態に低下し、その過程でガンマ線を放出します。

ウラン238は、アルファ粒子（つまり、ヘリウム原子核）の放出とともにトリウム234に崩壊します。これは、放射性崩壊の最もよく知られた例の1つです。 このプロセスは次のように表すことができます。

このプロセスで放出されるエネルギー量を計算するには、原子量が必要です。 ²³⁸U = 238.05079 amu、 ²³⁴Th = 234.04363amuおよび ⁴He = 4.00260 amu、すべての質量は原子質量単位で表されます。 ここで、プロセスで放出されるエネルギー量を計算するために必要なのは、∆を見つけることだけです。m元の親原子の質量から生成物の質量を差し引いて、これが表すエネルギー量を計算します。

放射性崩壊は、開始点と終了点の間に複数のステップがある連鎖で発生することがよくあります。 これらの崩壊系列は長く、プロセス全体で放出されるエネルギー量を計算するために多くのステップが必要になりますが、そのような連鎖の一部を取ることはアプローチを示しています。

鎖の終わり近くにあるトリウム232の崩壊系列を見ると、不安定な原子核（つまり、不安定な同位体の原子であり、 ビスマス-212の短い半減期）は、ベータマイナス崩壊してポロニウム-212になり、次にアルファ崩壊して鉛-208になります。 アイソトープ。 このプロセスで放出されるエネルギーは、段階的に計算することで計算できます。

まず、ビスマス-212からのベータマイナス崩壊（m= 211.99129 amu）をポロニウム-212（m= 211.98887 amu）は次のようになります。

電子数の変化がベータマイナス崩壊で相殺されることを思い出してください。 そのリリース：

次の段階は、ポロニウム212から鉛208へのアルファ崩壊です（m= 207.97665 amu）および1つのヘリウム原子核。

そしてエネルギーは次のとおりです。

合計すると、プロセスで放出されるエネルギーは2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21MeVになります。 もちろん、注意している場合（アルファ粒子、およびプロセスにベータプラス崩壊が含まれている場合は追加の電子を含む）、 単一のステップで質量の差を計算してから変換することができますが、このアプローチでは、それぞれで放出されるエネルギーがわかります ステージ。