アルファ粒子分光法

アルファ分光法（アルファ（粒子）分光法とも呼ばれる）は、アルファ線放出体である放射性核種によって放出されるアルファ粒子のエネルギーを定量的に研究するものです。

放出されたアルファ粒子は単一エネルギー（ベータ崩壊のようなエネルギースペクトルで放出されない）であり、そのエネルギーは崩壊ごとに異なることが多いため、どの放射性核種に由来するかを特定するために使用することができます。^[1]

一般的には、金属ディスクに試験溶液を一滴垂らし、乾燥させてディスクに均一なコーティングを施します。これが試験サンプルとして使用されます。ディスク上に形成された層の厚さが厚すぎると、スペクトル線は低エネルギー側に広がります。これは、アルファ粒子のエネルギーの一部が活性物質の層を通過する際に失われるためです。 ^[2]

代替方法としては、液体シンチレーション計数法(LSC) を使用する方法があります。この方法では、サンプルをシンチレーションカクテルと直接混合します。個々の発光イベントを計数すると、LSC 機器は放射性崩壊イベントあたりの光エネルギーの量を記録します。液体シンチレーション計数法で得られるアルファスペクトルは、LSC 法の 2 つの主な固有の制限 ((1) ランダム消光により放射性崩壊あたりの光子の数が減少するため、(2) 放出された光子が曇ったサンプルや色の付いたサンプルに吸収される可能性があるため(ランベルト・ベールの法則)) により広がります。液体シンチレーションスペクトルは、ディスク上に堆積された活性物質の層が厚すぎる場合にサンプルによるアルファ粒子の吸収によって生じる歪みではなく、ガウス分布の影響を受けます。

左から右の順に、ピークは²⁰⁹ Po、²³⁹ Pu、²¹⁰ Po、^{241 Am によるものです。239} Puや²⁴¹ Amなどの同位体が複数のアルファ線を持つという事実は、（娘）核が異なる離散的なエネルギー レベルにある可能性があることを示してい^ます。

較正: MCA はエネルギーではなく電圧で動作します。エネルギーを電圧に関連付けるには、検出システムを較正する必要があります。ここでは、既知のエネルギーを持つさまざまなアルファ線放出源を検出器の下に配置し、全エネルギー ピークを記録します。

薄膜の厚さの測定: 放射性物質からのアルファ粒子のエネルギーを薄膜を通過する前と通過後に測定します。その差を測定し、SRIM を使用することで、薄膜の厚さを測定できます。

崩壊エネルギー Q (反応の Q 値とも呼ばれる) は、質量の消失に対応します。

アルファ崩壊核反応の場合：（ ここで、P は親核種、D は娘核種）。 ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}P -> ^{(A-4)}_{(Z-2)}D + \alpha}}}$

${\displaystyle Q{_{\alpha }}=(m_{P}-m_{D}-m_{\alpha })\ c^{2}}$または、より一般的に使用される単位で表すと、Q (M eV ) = -931.5 Δ M ( Da )となります（ここで、Δ M = ΣM_生成物- ΣM_反応物）。^[3]

生成された娘核種とアルファ粒子が基底状態にある場合（アルファ崩壊では一般的）、総崩壊エネルギーは運動エネルギー（T）で 2 つに分割されます。

${\displaystyle Q_{\alpha }=T_{\alpha }+T_{D}}$

T の大きさは生成物の質量比に依存し、運動量保存則（崩壊の瞬間に親の運動量 = 0）により次のように計算できます。

${\displaystyle p_{\alpha }+p_{D}=0}$

${\displaystyle T=0.5mv^{2}}$そして、${\displaystyle p=mv}$${\displaystyle \therefore p={\sqrt {2mT}}}$

${\textstyle {\begin{aligned}{\sqrt {2m_{\alpha }T_{\alpha }}}&=-{\sqrt {2m_{D}T_{D}}}\\[4pt]2m_{\alpha }T_{\alpha }&=2m_{D}T_{D}\\[4pt]{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }&=T_{D}\end{aligned}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\alpha }&=T_{\alpha }+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}T_{\alpha }\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}1+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}}{m_{D}}}+{\frac {m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]&=T_{\alpha }{\bigg (}{\frac {m_{D}+m_{\alpha }}{m_{D}}}{\bigg )}\\[4pt]\end{aligned}}}$

${\displaystyle \therefore T_{\alpha }={\frac {m_{D}}{m_{P}}}Q_{\alpha }}$

アルファ粒子、つまり⁴ He 原子核は、特に強く結合した粒子です。これは、核子あたりの結合エネルギーが A = 56 付近で最大値を持ち、重い原子核では系統的に減少するという事実と相まって、A > 150 の原子核はアルファ粒子の放出に対して 正の Q _{α値を持つという状況を生み出します。}

たとえば、自然界に存在する最も重い同位体の 1 つ(電荷を無視) は次のようになります。 ${\displaystyle {\ce {^238U -> ^234Th + ^4He}}}$

Q _α = -931.5 (234.043 601 + 4.002 603 254 13 - 238.050 788 2) = 4.2699 MeV ^[4]

崩壊エネルギーはアルファ粒子と重い反跳粒子の間で分割されるため、アルファ粒子の運動エネルギー (T _α ) はわずかに小さくなることに注意してください。

T _α = (234.043 601 / 238.050 788 2) 4.2699 = 4.198 MeV、（これは^238g U から^234g Th への反応であり、この場合の分岐比は 79% であることに注意してください）。反跳する²³⁴ Th 娘核の運動エネルギーは、T _D = (m _α / m _P ) Q _α = (4.002 603 254 13 / 238.050 788 2) 4.2699 = 0.0718 MeV または 71.8 keV であり、これははるかに小さいですが、化学結合の運動エネルギー（<10 eV）よりは大幅に大きいため、娘核種は親核種がいた化学環境から離脱することになります。

反跳エネルギーは、アルファ分光計が減圧下で稼働しているにもかかわらず、低圧で稼働させず、反跳する娘核種が元のアルファ線源から完全に移動して、娘核種自体が放射性である場合に深刻な汚染問題を引き起こすのを防ぐ空気の助けとなる理由でもある。^[5]

Qα 値は一般に原子番号の増加とともに増加しますが、殻効果による質量表面の変化が系統的な増加を圧倒する可能性があります。A = 214 付近の鋭いピークは、N = 126 殻の影響によるものです。