アルファ粒子

アルファ粒子

アルファ崩壊
構成	陽子2個、中性子2個
統計	ボソン
シンボル	α、α 2+、He 2+
質量	6.644 657 3450 (21) × 10 −27  kg ‍ [ 1] 4.001 506 179 129 (62) だ‍ [ 2] 3.727 379 4118 (11)  GeV/ c 2 [3]
電荷	+2 電子
スピン	0  ħ [4]

アルファ粒子は、アルファ線またはアルファ放射線とも呼ばれ、2つの陽子と2つの中性子が結合してヘリウム4原子核と同一の粒子を形成します。^[5]アルファ崩壊の過程で生成されるのが一般的ですが、他の方法で生成されることもあります。アルファ粒子は、ギリシャ語アルファベットの最初の文字αにちなんで名付けられています。アルファ粒子の記号はαまたはα2 ^{+です。ヘリウム原子核と同一であるため、He2 +}またはHe2+と表記されることもあります。 ⁴
₂He ^2+は、+2の電荷を持つヘリウムイオン（2つの電子がない）を示します。イオンが周囲から電子を獲得すると、アルファ粒子は通常の（電気的に中性の）ヘリウム原子になります。⁴
₂彼。

アルファ粒子の正味スピンはゼロです。標準的なアルファ放射性崩壊で生成されるアルファ粒子は、一般的に約 5  MeVの運動エネルギーと光速の約 4% の速度を持ちます。アルファ粒子は、浸透深度が低い(空気中数センチメートルまたは皮膚で阻止される) 高度に電離した粒子放射線です。

しかし、三元核分裂から生じるいわゆる長距離アルファ粒子は、エネルギーが 3 倍で、透過距離も 3 倍です。宇宙線の 10～12% を占めるヘリウム原子核も、通常、原子核崩壊プロセスで生成されるものよりはるかに高いエネルギーを持っているため、透過力が高く、エネルギーによっては人体や何メートルにも及ぶ高密度の固体遮蔽物をも透過する可能性があります。程度は低いものの、これは粒子加速器で生成される非常に高エネルギーのヘリウム原子核にも当てはまります。

「アルファ粒子」という用語は、アーネスト・ラザフォードがウラン放射線の特性に関する研究報告の中で作った造語である。^[6]放射線には2つの異なる性質があるようで、彼は最初のものを「放射線」と呼び、より透過性の高いものを「放射線」と呼んだ。さらに5年間の実験を経て、ラザフォードとハンス・ガイガーは 「アルファ粒子は正電荷を失った後、ヘリウム原子である」と結論付けた。^{[7] [8] [9] : 61}アルファ放射線は、物質を通過することで電子を獲得できる二重イオン化ヘリウム原子核（He ²⁺ ） に相当する粒子で構成される。このメカニズムは、地球上のヘリウムガスの起源である。^[10]${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \beta}$

アルファ粒子の発生源として最もよく知られているのは、より重い（質量数が少なくとも 104）原子のアルファ崩壊です。原子がアルファ崩壊でアルファ粒子を放出すると、アルファ粒子内の4 つの核子が失われるため、原子の質量数は 4 減少します。原子の原子番号は、2 つの陽子が失われるため 2 減少します。つまり、原子は新しい元素になります。アルファ崩壊によるこの種の核変換の例としては、ウランからトリウムへの崩壊や、ラジウムからラドンへの崩壊が挙げられます。

アルファ粒子は、ウラン、トリウム、アクチニウム、ラジウムなどの大きな放射性原子核や、超ウラン元素から一般的に放出されます。他の種類の崩壊とは異なり、アルファ崩壊のプロセスには、それを支えることができる最小サイズの原子核が必要です。これまでにアルファ放出が可能であることがわかっている最小の原子核は、ベリリウム8とテルル104です。これには、より軽い元素のベータ遅延アルファ放出は含まれていません。アルファ崩壊により、親原子核が励起状態になることがあり、その後、ガンマ線が放出されて余分なエネルギーが除去されます。

ベータ崩壊とは対照的に、アルファ崩壊の原因となる基本的な相互作用は、電磁力と核力の間のバランスです。アルファ崩壊は、アルファ粒子と原子核の残りの部分との間のクーロン反発^[4]によって生じます。どちらも正の電荷を持ちますが、核力によって抑制されています。古典物理学では、アルファ粒子は原子核内の強い力からのポテンシャル井戸から脱出するのに十分なエネルギーを持っていません（この井戸は、強い力を逃れて井戸の片側を上昇し、続いて電磁力によって反発して反対側に押し下げられることを含みます）。

しかし、量子トンネル効果により、アルファ粒子は核力に打ち勝つだけのエネルギーを持っていなくても脱出することができます。これは物質の波動性によって可能になり、アルファ粒子は原子核から非常に離れた領域で時間を過ごすことができるため、反発する電磁力のポテンシャルが核力の引力を完全に相殺します。この時点から、アルファ粒子は脱出することができます。

核プロセスから生じる特にエネルギーの高いアルファ粒子は、比較的まれな（数百に 1 つ）核分裂プロセスである三元核分裂で生成されます。このプロセスでは、通常の 2 つの荷電粒子の代わりに 3 つの荷電粒子がイベントから生成され、荷電粒子のうち最も小さいものはおそらく（90% の確率で）アルファ粒子です。このようなアルファ粒子は、その典型的なエネルギーが 16 MeV であり、アルファ崩壊によって生成されるエネルギーよりもはるかに高いため、「長距離アルファ」と呼ばれます。三元核分裂は、中性子誘導核分裂（原子炉で発生する核反応）と、核分裂性および核分裂性の アクチニド核種（つまり、核分裂可能な重原子）が放射性崩壊の一形態として自発核分裂を起こすときに発生します。誘導核分裂と自発核分裂の両方において、重い原子核で得られるより高いエネルギーにより、アルファ崩壊から得られるものよりも高いエネルギーの長距離アルファが生成されます。

エネルギーの高いヘリウム原子核（ヘリウムイオン）は、サイクロトロン、シンクロトロン、その他の粒子加速器によって生成される。慣例的に、これらは「アルファ粒子」とは呼ばれない。^[要出典]

ヘリウム原子核は恒星内の核反応に関与することがあり、時折、歴史的にこれらはアルファ反応と呼ばれてきました (トリプルアルファ過程とアルファ過程を参照)。

さらに、アルファ粒子と呼ばれることもある極めて高エネルギーのヘリウム原子核は、宇宙線の約10～12%を占めています。宇宙線生成のメカニズムについては、議論が続いています。

アルファ崩壊で放出されるアルファ粒子のエネルギーは、放出プロセスの半減期にわずかに依存しており、ガイガー・ナッタルの法則で示されるように、半減期の桁違いの差は 50% 未満のエネルギー変化と関連しています。

放出されるアルファ粒子のエネルギーは様々で、より大きな原子核から高エネルギーのアルファ粒子が放出されますが、ほとんどのアルファ粒子のエネルギーは 3 ～ 7  MeV (メガ電子ボルト) で、それぞれアルファ放出核種の極めて長い半減期と極めて短い半減期に相当します。エネルギーと比率は多くの場合明確に区別されており、アルファ分光法などで特定の核種を識別するために使用できます。

典型的な運動エネルギーは5MeVで、放出されるアルファ粒子の速度は15,000km/sで、光速の5%に相当します。このエネルギーは単一粒子としてはかなりの量ですが、質量が大きいため、アルファ粒子はβ粒子や中性子などの他の一般的な放射線よりも速度が遅くなります。^[12]

アルファ粒子は電荷を帯び、質量が大きいため、物質に吸収されやすく、空気中では数センチメートルしか移動できません。ティッシュペーパーや人間の皮膚の外側の層に吸収されることもあります。通常、アルファ粒子は皮膚に約 40 マイクロメートル浸透しますが、これは数個の細胞に相当する深さです。

アルファ粒子は、吸収範囲が短く、皮膚の外層を透過できないため、一般に、摂取または吸入されない限り、生命に危険を及ぼすことはありません。^[13]この高質量と強い吸収のため、アルファ放出放射性核種が体内に入ると（1950年代以前に高品質のX線画像に使用されていたトロトラストのように、吸入、摂取、または注射によって）、アルファ線は最も破壊的な形態の電離放射線となります。アルファ線は最も電離力が強く、大量に摂取すると、放射線中毒の症状の一部またはすべてを引き起こす可能性があります。アルファ粒子による染色体損傷は、同量のガンマ線またはベータ線によって引き起こされる損傷の10～1000倍^[14]と推定されており、平均は20倍に設定されています。プルトニウムとウランからのアルファ線に内部被曝したヨーロッパの原子力労働者の研究では、相対生物学的効果を20とした場合、アルファ線の発がん性（肺がんに関して）は、外部ガンマ線の線量について報告されたものと一致しているように思われる、すなわち、吸入したアルファ粒子の一定線量は、20倍のガンマ線線量と同じリスクを示すことがわかった。^[15]強力なアルファ放出体であるポロニウム210（1ミリグラムの^{210 Poは、4.215グラムの226} Raと同じ数のアルファ粒子を1秒間に放出する）は、喫煙に関連する肺がんと膀胱がんに関与している疑いがある。^{[16] 210} Poは、 2006年にロシアの反体制派で元FSB役員のアレクサンドル・V・リトビネンコを殺害するために使用された。 ^[17]

1899年、物理学者のアーネスト・ラザフォード（カナダのモントリオールにあるマギル大学に勤務）とポール・ヴィラール（パリに勤務）は、放射線を3つのタイプに分類しました。ラザフォードは、物体への透過性と磁場による偏向に基づいて、最終的にこれらをアルファ線、ベータ線、ガンマ線と名付けました。^[6]ラザフォードは、アルファ線を通常の物体への透過性が最も低い線として定義しました。

ラザフォードの研究には、アルファ粒子の質量と電荷の比の測定も含まれており、アルファ粒子は2価のヘリウムイオン（後に裸のヘリウム原子核であることが示された）であるという仮説に至った。^[18] 1909年、アーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、アルファ粒子が確かにヘリウムイオンであることを証明した。^[19]これを行うために、彼らはアルファ粒子放出体として知られているラジウムから放出されるガスをガラス管に集めて精製した。管内の電気火花放電により光が発生した。その後、この光のスペクトルを研究した結果、ガスはヘリウムであり、アルファ粒子は確かにヘリウムイオンであることがわかった。^{[9] : 61}

アルファ粒子は自然に発生するが、原子核反応に関与できるほどのエネルギーを持つことができるため、その研究は原子核物理学の初期の知識の多くにつながった。ラザフォードは臭化ラジウムから放出されるアルファ粒子を用いて、JJ トムソンの原子のプラムプディングモデルが根本的に間違っていると推測した。ラザフォードの学生ハンス ガイガーとアーネスト マースデンが行った金箔の実験では、非常に薄い（数百原子の厚さ）金箔を通過する細いアルファ粒子のビームが確立された。アルファ粒子は、アルファ粒子の衝突時に閃光を発する硫化亜鉛スクリーンによって検出された。ラザフォードは、原子の「プラムプディング」モデルが正しいと仮定すると、正に帯電したアルファ粒子は、予測された分散した正電荷によって、たとえあったとしてもわずかに偏向されるだけだろうと仮説を立てた。

アルファ粒子の一部は予想よりもはるかに大きな角度で偏向し (ラザフォードの調査提案による)、一部はほぼ真っ直ぐ跳ね返ったことも判明した。アルファ粒子のほとんどは予想どおりにまっすぐに通過したが、ラザフォードは、偏向した少数の粒子はティッシュペーパーに 15 インチの砲弾を撃ち込んで跳ね返ったのと同じだとコメントした。これもまた「プラム プディング」理論が正しいと仮定したものだ。原子の正電荷は中心の小さな領域に集中しており、正電荷が十分に密集しているため、後に原子核と呼ばれるようになったものに近づいた正電荷を持つアルファ粒子を偏向できることが判明した。

この発見以前は、アルファ粒子自体が原子核であることは知られておらず、陽子や中性子の存在も知られていませんでした。この発見の後、JJ トムソンの「プラムプディング」モデルは放棄され、ラザフォードの実験はボーアモデル、そして後に現代の原子の波動力学モデルにつながりました。

1917年、ラザフォードはアルファ粒子を使って偶然に、後に彼がある元素から別の元素への指向性核変換と理解したものを生み出しました。ある元素から別の元素への変換は、1901年以来、自然の放射性崩壊の結果として理解されていましたが、ラザフォードがアルファ崩壊からのアルファ粒子を空気中に放出したとき、これが新しいタイプの放射線を生成することを発見しました。これは水素原子核であることが判明しました（ラザフォードはこれを陽子と名付けました）。さらに実験を進めると、陽子は空気中の窒素成分から来ていることが判明し、反応は窒素から酸素への変換であると推測されました。

これは最初に発見された核反応でした。

隣の写真について：ブラッグのエネルギー損失曲線によれば、アルファ粒子は確かにトレースの端でより多くのエネルギーを失っていることがわかります。^[20]

2011年、国際STAR共同研究チームのメンバーは、米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器を使用して、ヘリウム原子核の反物質パートナー、別名反アルファを検出しました。 ^[21]この実験では、ほぼ光速で移動する金イオンを正面衝突させて反粒子を生成しました。^[22]

• 一部の煙探知器には、少量のアルファ線放射体アメリシウム 241 が含まれています。^[23]アルファ粒子は、小さな隙間内の空気をイオン化します。イオン化された空気には、小さな電流が流れます。空気の隙間に入った火災の煙粒子は電流の流れを減らし、警報を鳴らします。この同位元素は、吸入または摂取すると非常に危険ですが、発生源が密閉されていれば、危険性は最小限です。多くの自治体は、古い煙探知器を収集して処分するプログラムを確立し、一般廃棄物の流れから排除しています。しかし、米国 EPA は、それらは「家庭ごみと一緒に捨てられる可能性がある」と述べています。^[23]
• 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^[24]に安全な電源を提供することができます。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遮蔽できます。アルファ粒子の発生源であるプルトニウム238は、不要な放射線から保護するためにわずか2.5 mmの鉛遮蔽が必要です。
• 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。^{[25] [26]}

アルファ線を放出する放射性核種は現在、癌性腫瘍を根絶するために、特定の組織を標的とした注入可能な放射性治療（ラジウム 223）、固形腫瘍に直接挿入される放射線源（ラジウム 224）、および腫瘍関連抗原に対する抗体などの腫瘍標的分子への付着物の 3 つの異なる方法で使用されています。

ラジウム223はアルファ線を放出する物質で、カルシウムの模倣物であるため、自然に骨に引き寄せられる。ラジウム223（二塩化ラジウム223として）は、がん患者の静脈に注入することができ、その後、転移した腫瘍の存在により細胞のターンオーバーが速い骨の部分に移動することができる。骨の中に入ると、ラジウム223は100ミクロンの距離内の腫瘍細胞を破壊することができるアルファ線を放出する。この方法は、骨に転移した前立腺がんの治療に2013年から使用されている。 ^[27]循環に注入された放射性核種は、血管が到達可能な部位に到達することができる。しかし、これは、血管化していない（つまり、血管が十分に浸透していない）大きな腫瘍の内部は、放射能によって効果的に根絶されない可能性があることを意味する。

ラジウム 224 は放射性原子で、DaRT (拡散アルファ放射体放射線療法)と呼ばれる癌治療装置でアルファ放射線源として利用されています。各ラジウム 224 原子は崩壊過程を経て 6 つの娘原子を生成します。この過程で 4 つのアルファ粒子が放出されます。アルファ粒子の射程距離は最大 100 ミクロンで、多くの腫瘍の幅をカバーするには不十分です。しかし、ラジウム 224 の娘原子は組織内で最大 2～3 mm 拡散するため、シードが適切に配置されていれば、腫瘍全体を破壊できるほどの放射線を発する「殺傷領域」が形成されます。^[28]ラジウム 224 の半減期は 3.6 日と短いため、過剰被曝による放射線障害のリスクを回避しながら、迅速な臨床効果が得られます。同時に、半減期は十分に長いため、シードを取り扱い、世界中のあらゆる場所にある癌治療センターに発送することができます。

固形腫瘍に対する標的アルファ線療法では、アルファ粒子を放出する放射性核種を抗体などの腫瘍標的分子に結合させ、それを静脈内投与して癌患者に投与する。^[29]

コンピュータ技術では、1978年にインテルのDRAMチップで、ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）の「ソフトエラー」がアルファ粒子と関連付けられました。この発見により、半導体材料のパッケージングにおける放射性元素の厳格な管理が行われ、問題はほぼ解決されたと考えられています。^[30]

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• ティプラー、ポール;ルウェリン、ラルフ (2002)。現代物理学(第 4 版)。WHフリーマン。ISBN 978-0-7167-4345-3。

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