アルファ崩壊

アルファ崩壊またはα崩壊は、原子核がアルファ粒子（ヘリウム原子核）を放出し、それによって質量数が4減少し、原子番号が2減少した別の原子核に変換または「崩壊」するタイプの放射性崩壊です。アルファ粒子は、2つの陽子と2つの中性子で構成されるヘリウム4原子の核と同じです。電荷は+2  eと質量4  Da。例えば、ウラン 238 は崩壊してトリウム 234 を形成します。

アルファ粒子は電荷を持っているが +2  eですが、これは通常示されません。なぜなら、原子核方程式は電子を考慮せずに原子核反応を記述するからです。この慣習は、原子核が必ずしも中性原子に発生することを意味しません。

アルファ崩壊は典型的には最も重い核種で起こる。理論的にはニッケル（元素番号28）よりいくらか重い核種でのみ起こり、核子あたりの総結合エネルギーはもはや最大ではなくなり、核種は自発的な核分裂型プロセスに対して不安定になる。実際には、この崩壊モードはニッケルよりかなり重い核種でのみ観測されており、最も軽いアルファ放出核種はアンチモンの2番目に軽い同位体である¹⁰⁴ Sbである。^[1]しかし、例外的にベリリウム8は2つのアルファ粒子に崩壊する。

アルファ崩壊はクラスター崩壊の中では圧倒的に最も一般的な形態であり、親原子が特定の娘核子群を放出し、別の特定の生成物を残します。アルファ崩壊は、極めて高い核結合エネルギーとアルファ粒子の比較的小さな質量の組み合わせにより、最も一般的な形態となっています。他のクラスター崩壊と同様に、アルファ崩壊は基本的に量子トンネル効果の過程です。ベータ崩壊とは異なり、強い核力と電磁力の相互作用によって制御されます。

アルファ粒子の典型的な運動エネルギーは5MeV（総エネルギー110TJ/kgの約0.13％）で、速度は約15,000,000m/s、つまり光速の5％です。このエネルギーの周囲には驚くほど小さな変動がありますが、これはこの過程の半減期が生成されるエネルギーに大きく依存しているためです。比較的大きな質量のため、アルファ粒子の電荷は+2  eで速度が比較的低いため、アルファ粒子は他の原子と相互作用してエネルギーを失う可能性が高く、数センチメートルの空気によって前進が止められる可能性があります。

地球上で生成されるヘリウムの約 99% は、ウランまたはトリウムを含む鉱物の地下鉱床のアルファ崩壊の結果です。ヘリウムは、天然ガス生産の副産物として地表に運ばれます。

アルファ粒子は、1899 年にアーネスト ラザフォードによる放射能の研究で初めて説明され、1907 年までに He ²⁺イオンとして特定されました。1928 年までに、ジョージ ガモフはトンネル効果によるアルファ崩壊の理論を解明しました。アルファ粒子は、原子核の引力ポテンシャル井戸 と反発電磁ポテンシャル障壁によって原子核内に閉じ込められます。古典的には脱出は禁じられていますが、(当時) 新しく発見された量子力学の原理によれば、障壁を「トンネル」して反対側に現れ、原子核から脱出する可能性はごくわずかですが (ゼロではありません) あります。ガモフは原子核のモデル ポテンシャルを解き、第一原理から崩壊の半減期と放出エネルギーの関係を導き出しました。この関係は、以前に経験的に発見され、ガイガー-ナットールの法則として知られていました。^[2]

原子核をまとめる核力は非常に強く、一般に陽子間の電磁反発力よりもはるかに強い。しかし、核力は短距離でもあり、約 3フェムトメートルを超えると急速に強度が低下するのに対し、電磁力は範囲が無制限である。原子核をまとめる核引力の強さは核子の数に比例するが、原子核をばらばらにしようとする陽子間の反発による破壊的な電磁力の合計は、原子番号の 2 乗にほぼ比例する。210 個以上の核子を持つ原子核は非常に大きいため、それをまとめる強い核力は、含まれる陽子間の電磁反発力をかろうじて相殺できる程度である。このような原子核では、サイズを小さくすることで安定性を高める手段としてアルファ崩壊が発生する。^[3]

一つの興味深い点は、アルファ粒子、ヘリウム原子核が、単一の陽子や中性子、あるいは他の原子核のような他の粒子とは対照的に、優先的に放出される理由である。^{[注 1]}理由 の一部はアルファ粒子の結合エネルギーが高いことであり、これはアルファ粒子の質量が 2 つの自由陽子と 2 つの自由中性子の質量の合計よりも小さいことを意味する。これにより崩壊エネルギーが増加する。m i は原子核の初期質量、m f は粒子放出後の原子核の質量、m p は放出された (アルファ) 粒子の質量である式で与えられる全崩壊エネルギーを計算すると、_特定のケース_ではそれ_が正で ありアルファ粒子の放出が可能であることが分かるが、他の崩壊モードではエネルギーを追加する必要がある。たとえば、ウラン 232の計算を実行すると、アルファ粒子の放出では 5.4 MeV のエネルギーが放出されるが、単一の陽子の放出には 6.1 MeV が必要であることが分かる。崩壊エネルギーのほとんどはアルファ粒子の運動エネルギーになりますが、運動量保存則を満たすために、エネルギーの一部は原子核自体の反動になります（原子反動を参照）。しかし、ほとんどのアルファ放出放射性同位体の質量数は210を超えており、アルファ粒子の質量数よりもはるかに大きいため（4）、原子核の反動になるエネルギーの割合は一般に非常に小さく、2%未満です。^[3]それでも、反動エネルギー（keVのスケール）は化学結合の強度（eVのスケール）よりもはるかに大きいため、娘核種は親核種がいた化学環境から離れます。アルファ粒子のエネルギーと比率は、アルファ分光法で放射性親核種を識別するために使用できます。 $${\displaystyle E_{di}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2},}$$

しかし、これらの崩壊エネルギーは、強い核力と電磁力の相互作用によって作られる反発ポテンシャル障壁よりも大幅に小さく、この障壁がアルファ粒子の脱出を妨げます。アルファ粒子を無限遠から核力の影響範囲のすぐ外側の原子核近くの点まで運ぶために必要なエネルギーは、通常約 25 MeV の範囲です。原子核内のアルファ粒子は、壁が無限遠のポテンシャルより 25 MeV 高いポテンシャル障壁内にあると考えられます。しかし、崩壊アルファ粒子のエネルギーは無限遠のポテンシャルより約 4 ～ 9 MeV 高いだけであり、障壁を乗り越えて脱出するために必要なエネルギーよりはるかに小さいです。

しかし、量子力学では、アルファ粒子が量子トンネル効果によって脱出できるとされています。ジョージ・ガモフ^[4]とロナルド・ウィルフレッド・ガーニー、エドワード・コンドン^[5]が1928 年に独立して開発したアルファ崩壊の量子トンネル理論は、量子理論の非常に印象的な裏付けとして歓迎されました。基本的に、アルファ粒子は、それを閉じ込めている壁を越えるのに十分なエネルギーを得ることによって原子核から脱出するのではなく、壁をトンネルすることによって脱出します。ガーニーとコンドンは、このことに関する論文で次の観察をしています。

これまでは、原子核の何らかの特別な「不安定性」を仮定する必要があったが、以下の注釈では、崩壊は特別な仮説なしに量子力学の法則の自然な結果であると指摘されている... α粒子が原子核内の所定の位置から投げ出される爆発的な激しさについては、多くのことが書かれてきた。しかし、上に示したプロセスからすると、α粒子はほとんど気づかれずに逃げていくと言う方が適切だろう。^[5]

この理論では、アルファ粒子は原子核内の独立した粒子とみなすことができ、常に運動しているが強い相互作用によって原子核内に保持されていると想定しています。電磁力の反発ポテンシャル障壁との衝突ごとに、アルファ粒子がトンネルを抜けて外に出る可能性がゼロではない小さな確率で存在します。約 10 ⁻¹⁴ m の原子核直径内で1.5×10 ^{7 m/s の速度を持つアルファ粒子は、1 秒間に 10 21}回 以上障壁に衝突します。ただし、各衝突での脱出確率が非常に小さい場合、放射性同位体の半減期は非常に長くなります。これは、脱出確率全体が 50% に達するのに必要な時間だからです。極端な例として、同位体ビスマス 209の半減期は次のとおりです。2.01 × 10 ¹⁹ 年。

質量数A =  5、A  = 8、143 ≤  A  ≤ 155、160 ≤  A  ≤ 162、およびA ≥ 165 の二重ベータ崩壊に関しても安定なベータ崩壊安定同重体の同位体は 、アルファ崩壊を起こすと理論上考えられています。その他のすべての質量数 (同重体) には、理論的に安定な核種が 1 つだけ存在します。質量 5 の同重体はヘリウム 4 と陽子または中性子に崩壊し、質量 8 の同重体は 2 つのヘリウム 4 原子核に崩壊します。これらの半減期 (ヘリウム 5、リチウム 5、およびベリリウム 8 ) は非常に短く、 A ≤ 209の他のすべての核種の半減期が 非常に長いのとは異なります。 （ A≤209の核種は^146Smを除いて原始核種 である。）^[6]

理論の詳細を解明すると、放射性同位体の半減期とそのアルファ粒子の崩壊エネルギーを関連付ける方程式が導き出され、これは経験的なガイガー・ナットルの法則の理論的導出となります。

煙探知器には、アルファ線放射体であるアメリシウム241 が使用されています。アルファ粒子は開放型イオンチャンバー内の空気をイオン化し、イオン化された空気に小さな電流が流れます。火災から発生した煙粒子がチャンバー内に入ると電流が減少し、煙探知器の警報が作動します。

ラジウム 223もアルファ線放射体です。骨転移（骨の癌）の治療に使用されます。

アルファ崩壊は、宇宙探査機に使用される放射性同位元素熱電発電機の安全な電源となり、 ^[7]人工心臓ペースメーカーにも使用されました。^[8]アルファ崩壊は、他の形態の放射性崩壊よりもはるかに簡単に防護できます。

静電気除去装置は通常、アルファ線放射体であるポロニウム 210 を使用して空気をイオン化し、「静電気」をより急速に消散させます。

非常に電荷を帯びて重いアルファ粒子は、平均自由行程が非常に短いため、少量の物質内で数MeVのエネルギーを失います。そのため、摂取、吸入、注射、または皮膚を通して体内に取り込まれた場合、内部汚染の場合には DNA の二重鎖が切断される可能性が高くなります。それ以外の場合、アルファ粒子は数センチメートルの空気、一枚の紙、または表皮を構成する死んだ皮膚細胞の薄い層によって効果的に遮蔽されるため、アルファ線源に触れても通常は無害です。ただし、多くのアルファ線源にはベータ線を放出する娘核種も伴い、どちらもガンマ光子の放出を伴うことがよくあります。

相対生物学的効果(RBE)は、同等の放射線被曝量に対して、放射線が特定の生物学的効果、特にがんまたは細胞死を引き起こす能力を定量化します。アルファ放射線は、線エネルギー付与(LET) 係数が高く、アルファ粒子が 1オングストローム移動するごとに分子/原子が約 1 回電離します。RBE は、さまざまな政府規制によってアルファ放射線に対して 20 の値に設定されています。RBE は、中性子照射に対して 10、ベータ放射線および電離光子 に対して 1に設定されています。

しかし、親核の反動（アルファ反動）によってかなりの量のエネルギーが与えられ、これも電離損傷を引き起こします（電離放射線を参照）。このエネルギーは、アルファ（4  Da）を親粒子の重量（通常約 200 Da）で割り、アルファ粒子の全エネルギーを掛けた値。一部の推定によると、これが内部放射線損傷の大部分を占める可能性がある。これは、反跳核がアルファ粒子よりもはるかに大きい原子の一部であり、非常に高密度の電離の跡を引き起こすためである。原子は通常、染色体に優先的に集まる重金属である。一部の研究^[9]では、これにより RBE が政府の規制で使用されている値ではなく、1,000 に近づくことがわかっている。

公衆の被ばく量に最も大きく寄与しているのはラドンであり、これは土や岩石に含まれる天然の放射性ガスである。^[10]このガスを吸入すると、ラドン粒子の一部が肺の内壁に付着することがある。これらの粒子は崩壊し続け、アルファ粒子を放出し、肺組織の細胞を損傷する可能性がある。^[11]マリー・キュリーが再生不良性貧血で66歳で亡くなったのは、おそらく高線量の電離放射線に長時間さらされたことが原因だが、アルファ線によるものかX線によるものかは明らかではない。キュリーは、崩壊してラドンになるラジウムや、^[12]ベータ線やガンマ線を放出する他の放射性物質を広範囲に扱っていた。しかし、キュリーは第一次世界大戦中に遮蔽されていないX線管も扱っており、再埋葬の際に彼女の骨格を分析したところ、放射性同位元素の負荷レベルは比較的低かった。

2006年にロシアから亡命したアレクサンドル・リトビネンコ氏が放射線中毒で殺害された事件は、アルファ線放出物質であるポロニウム210によって行われたと考えられている。

• エネルギー増加によるアルファ放射体（付録1）

• 核種のライブチャート -アルファ崩壊フィルター付きIAEA
• 娘の反動を示す3つのアニメーション例によるアルファ崩壊

• ベータ崩壊
• ガンマ崩壊