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）を放出する放射性崩壊の一種です。親核は、質量数が4、原子番号が2減少した娘核へと変化（崩壊）します。アルファ粒子は、2個の陽子と2個の中性子からなるヘリウム4原子の原子核と同一です。例えば、ウラン238はアルファ崩壊を起こしてトリウム234を生成します。

アルファ粒子は電荷を持っているが+2 e は 、通常表示されません。なぜなら、核反応式は電子を考慮せずに核反応を記述する慣習であり、これは必ずしも中性原子に原子核が存在することを意味するものではないからです。

アルファ崩壊は通常、最も重い核種で起こります。理論的には、ニッケル（元素番号28）よりやや重い原子核でのみ起こり得ます。これは、核子あたりの全体的な結合エネルギーがもはや最大ではなくなり、核種が自発的な核分裂型のプロセスに対して不安定になるためです。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、既知の最も軽いアルファ放出体は、アンチモンの2番目に軽い同位体である^104Sbです。^{[ 1 ]}ただし例外的に、ベリリウム8は2つのアルファ粒子に崩壊します。

アルファ崩壊は、クラスター崩壊の中で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。アルファ粒子の極めて高い核結合エネルギーと比較的小さな質量が組み合わさることで、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によるプロセスです。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支配されます。

アルファ粒子は、典型的な運動エネルギーが 5  MeV (または 全エネルギー 110  TJ/kg の約 0.13%) で、速度は約 15,000,000  m/s、つまり光速の 5% です。このエネルギーの周りの変動は驚くほど小さく、これはこのプロセスの半減期が生成されるエネルギーに強く依存するためです。比較的大きな質量のため、+2 e で比較的低速のアルファ粒子は、他の原子と相互作用してエネルギーを失う可能性が非常に高く、数センチメートルの空気によって前進運動が停止さ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によって生成される。ヘリウムは天然ガス生産の副産物として地表に運ばれる。

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記述され、1907年にはHe ²⁺イオンであることが特定されました。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、原子核内の引力的な核ポテンシャル井戸 と反発的な電磁ポテンシャル障壁によって閉じ込められています。古典的には脱出は禁じられていますが、（当時）新たに発見された量子力学の原理によれば、障壁を「トンネル効果」で通り抜けて反対側に現れ、原子核から脱出する確率はごくわずか（ただしゼロではない）です。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。これは以前に経験的に発見され、ガイガー・ナッタルの法則として知られていました。^{[ 2 ]}

原子核を結合させている核力は非常に強く、一般的には陽子間の反発する電磁力よりもはるかに強い。しかし、核力は短距離力でもあり、約 10 を超えると急速に弱まる。3フェムトメートル であるのに対し、電磁力は無限の範囲に及ぶ。したがって、原子核を結合させている引力核力の強さは核子の数に比例するが、原子核を破壊しようとする陽子-陽子反発の全破壊電磁力は、おおよそ原子番号の二乗に比例する。210 個以上の核子を持つ原子核は非常に大きいため、それを結合させている強い核力は、その中に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。アルファ崩壊は、サイズを小さくすることで安定性を高める手段として、このような原子核で起こる。^{[ 3 ]}

一つの興味深い点は、なぜアルファ粒子（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といった他の粒子よりも優先的に放出されるのかということである。^{[注1 ]}その理由の一つは、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。式E _di = ( m _i - m _f - m _p )c ²で与えられる全崩壊エネルギーを計算すると、 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）粒子の質量であり、特定の場合には正の値となり、アルファ粒子の放出が可能となるが、他の崩壊モードではエネルギーの追加が必要となることがわかる。例えば、ウラン232の計算では、アルファ粒子の放出によって放出されるエネルギーは5.4  MeVのエネルギーが必要であり、一方、単一の陽子放出には6.1  MeV。崩壊エネルギーの大部分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跳に使われます（原子反跳を参照）。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、アルファ粒子の質量数（4）よりもはるかに大きいため、原子核の反跳に使われるエネルギーの割合は一般的に非常に小さく、2%未満です。^{[ 3 ]}それでも、反跳エネルギー（keVスケール）は化学結合の強さ（eVスケール）よりもはるかに大きいため、娘核種は親核種があった化学環境から分離します。アルファ粒子のエネルギーと比率は、アルファスペクトロメトリーによって放射性親核種を識別するために使用できます。

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生じる反発ポテンシャル障壁よりもかなり小さく、アルファ粒子が脱出するのを妨げています。アルファ粒子を無限遠から核力の影響範囲のすぐ外側にある原子核近傍の点まで移動させるのに必要なエネルギーは、一般的に約 の範囲です。25  MeV。原子核内のアルファ粒子は、壁が無限遠での電位より25  MeV高い。しかし、崩壊アルファ粒子のエネルギーは約無限遠点における電位より4～9MeV 高いエネルギーであり、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。

アルファ線放出体は煙探知器に使用されます。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微弱な電流が流れます。火事から発生した煙粒子がチャンバーに入ると電流が減少し、煙探知器の警報が作動します。^{[ 7 ]}

ラジウム223もアルファ線放出核種である。去勢抵抗性転移性前立腺癌による骨転移の治療にその使用が試みられ、良好な結果が得られている。^{[ 8 ]}

アルファ崩壊は、宇宙探査機に使用される放射性同位体熱電発電機の安全な電源として利用でき^{[ 9 ]} 、人工心臓ペースメーカーにも使用されていました^{[ 10 ]}。アルファ崩壊は、他の放射性崩壊に比べて遮蔽がはるかに容易です^{[ 11 ] 。}

静電気除去装置は通常、アルファ線放出体であるポロニウム210を使用して空気をイオン化し、「静電気の付着」をより迅速に消散させます。^{[ 12 ]}

高電荷で重いアルファ粒子は、数MeVのエネルギーを小さな体積の物質内で失い、平均自由行程も非常に短い。そのため、摂取、吸入、注射、または皮膚を通して体内に侵入した場合、DNAの二本鎖切断の可能性が高まる。それ以外の場合、アルファ線源に触れても通常は有害ではない。アルファ粒子は数センチメートルの空気、紙、または表皮を構成する薄い死んだ皮膚細胞の層によって効果的に遮蔽されるためである。ただし、ラジウム226などの多くのアルファ放出同位体の崩壊系列には、ベータ崩壊および/またはガンマ崩壊を起こす娘核が含まれている。^{[ 13 ]}

相対生物学的効果（RBE）は、同等の放射線被ばく量に対して、放射線が特定の生物学的効果（特に癌または細胞死）を引き起こす能力を定量化したものです。アルファ線は高い線エネルギー付与（LET）係数を持ち、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。アルファ線のRBEは、様々な政府規制によって20に設定されています。中性子線照射のRBEは10、ベータ線および電離光子のRBEは1に設定されています。

しかし、親核の反跳（アルファ反跳）は、かなりの量のエネルギーを与え、電離損傷も引き起こします（電離放射線を参照）。このエネルギーは、アルファ（4 Da ）を親核種の質量（通常約200  Da）で割った値にアルファ粒子の全エネルギーを掛けたもの。いくつかの推定では、反跳核はアルファ粒子よりもはるかに大きい原子の一部であり、非常に密度の高い電離の痕跡を引き起こすため、これが内部放射線損傷の大部分を占める可能性がある。原子は通常、染色体に優先的に集積する重金属である。いくつかの研究^{[ 14 ]}では、これにより、政府規制で使用されている値ではなく、RBEが1,000に近づく結果となった。

一般の人々の放射線被ばく量に最も大きく寄与する自然発生源は、土壌や岩石中に存在する天然の放射性ガスであるラドンです。 ^{[ 15 ]}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可能性があります。これらの粒子は崩壊を続け、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ります。^{[ 16 ]}マリー・キュリーが66歳で再生不良性貧血で亡くなったのは、おそらく高線量の電離放射線に長期間曝露されたことが原因ですが、これ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ありません。キュリーは、ラドンに崩壊するラジウム^{[ 17 ]}や、ベータ線やガンマ線を放出する他の放射性物質を幅広く扱っていました。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線管も使用しており、再埋葬時の骨格の分析では、放射性同位元素の負荷レベルは比較的低いことが示されました。

ロシアの亡命者アレクサンドル・リトビネンコが2006年に放射線中毒で殺害された事件は、アルファ線放出核種であるポロニウム210を用いて行われたと考えられている。

• アルファ線放出体のエネルギー増加による減少（付録1）

• 核種のライブチャート – IAEA（アルファ崩壊フィルター付き）
• アルファ崩壊と、娘核子の反動を示す3つのアニメーション例

• ベータ崩壊
• ガンマ崩壊
• アルファ線放出核種一覧