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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原子の原子核と同一の粒子を形成します。[ 6 ]これらは通常、アルファ崩壊の過程で生成されますが、他の方法でも生成されることがあります。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 α 2+です。ヘリウム原子核と同一であるため、+2 の電荷を持つヘリウムイオン(2 つの電子が欠落している) を示す He 2+または4 2 He 2+と表記されることもあります。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4 2 Heになります。
アルファ粒子は、正味のスピンがゼロです。標準的なアルファ放射性崩壊で生成される場合、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、電離作用が非常に強い粒子放射線であり、透過深度は浅く（数センチメートルの空気、または皮膚で遮断されます）。
しかし、三元核分裂によって生じるいわゆる長距離アルファ粒子は、エネルギーが3倍高く、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、通常は核崩壊によって生成されるものよりもはるかに高いエネルギーを持ち、そのエネルギーによっては、高い透過力で人体や数メートルもの高密度の固体遮蔽物を貫通する可能性があります。粒子加速器によって生成される非常に高エネルギーのヘリウム原子核についても、程度は低いものの同様のことが言えます。
「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を報告する際に造語した。[ 7 ]放射線には2つの異なる性質があるように見え、1つ目は彼が「放射線」と、彼が「アルファ線は、物質を通過する際に電子を獲得できる二重イオン化 ヘリウム原子核（He 2+）に相当する粒子から構成されています。このメカニズムが、 地球上のヘリウムガスの起源です。[ 11 ]
アルファ粒子の最もよく知られた発生源は、質量数が104以上の重い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、アルファ粒子に含まれる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。また、2つの陽子が失われるため、原子番号は2減少し、原子は新しい元素に変化します。アルファ崩壊によるこのような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などが挙げられます。
アルファ粒子は、ウラン、トリウム、アクチニウム、ラジウムなどの大型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、アルファ崩壊は、それを支えることができる最小サイズの原子核を必要とするプロセスです。これまでにアルファ放出が可能であることが確認されている最小の原子核は、ベリリウム8とテルル104です（一部の軽い元素のベータ遅延アルファ放出は除く）。アルファ崩壊によって親原子核が励起状態になる場合があり、その場合、ガンマ線の放出によっ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[ 5 ]によって生じます。アルファ粒子と原子核はどちらも正の電荷を持っていますが、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による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（この井戸では、強い力から逃れて井戸の一方の側を上昇し、その後、電磁力が反対側を反発して押し出すことになります）。
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となり、アルファ粒子は原子核から非常に遠く離れた領域に一定時間留まることで、反発する電磁力によるポテンシャルが核力による引力と完全に相殺されるためです。この状態から、アルファ粒子は脱出することができるのです。
核反応から生じる特に高エネルギーのアルファ粒子は、比較的まれな（数百回に1回程度）三元核分裂という核分裂過程で生成されます。この過程では、通常の2個ではなく3個の荷電粒子が生成され、そのうち最も小さい荷電粒子は、ほぼ確実に（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、典型的なエネルギーが16 MeVと、アルファ崩壊で生成されるエネルギーよりもはるかに高いため、「長距離アルファ粒子」と呼ばれます。三元核分裂は、中性子誘起核分裂（原子炉内で起こる核反応）と、核分裂性および核分裂性アクチニド核種（すなわち、核分裂を起こす重原子）が放射性崩壊の一形態として自発核分裂を起こす場合の両方で発生します。誘導核分裂と自発核分裂のいずれにおいても、重い原子核ではより高いエネルギーが得られるため、アルファ崩壊によるアルファ粒子よりもエネルギーが高く、飛程の長いアルファ粒子が生成される。
高エネルギーのヘリウム原子核（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。慣例として、これらは通常「アルファ粒子」とは呼ばれない。
ヘリウム原子核は恒星内部の核反応に関与することがあり、歴史的にはこれらの反応はアルファ反応と呼ばれてきた（トリプルアルファ過程および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％を占めている。宇宙線の生成メカニズムについては、現在も議論が続いている。
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、放出過程の半減期にわずかに依存しており、半減期が何桁も異なっても、エネルギーの変化は50%未満であることがガイガー・ナッタルの法則で示されている。
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は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）の範囲にあり、これは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対応します。これらのエネルギーと比率はしばしば明確に区別され、アルファスペクトル測定のように特定の核種を識別するために利用できます。
典型的な運動エネルギーは 5 MeV であり 、放出されるアルファ粒子の速度は15,000 km /s、これは光速の5%に相当します。このエネルギーは単一の粒子としては相当な量ですが、アルファ粒子は質量が大きいため、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。[ 13 ]
アルファ粒子は電荷を持ち質量が大きいため、物質に容易に吸収され、空気中ではわずか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最外層にも吸収されます。通常、皮膚には約40マイクロメートル、つまり数細胞分の深さまで浸透します。
吸収範囲が短く、皮膚の外層を透過できないため、アルファ粒子は、一般的に、摂取または吸入しない限り、生命に危険を及ぼすことはありません。[ 14 ]この高い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った場合（1950 年代以前に高品質の X 線画像を得るためにトロトラストを使用したように、吸入、摂取、または注射された場合）、アルファ放射線は最も破壊的な電離放射線です。最も強い電離作用があり、十分な量の線量があれば、放射線中毒の症状のすべてまたは一部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よりも 10 ～ 1000 [ 15 ]倍大きいと推定されており、平均は 20 倍とされています。プルトニウムとウランからのアルファ線に内部被ばくしたヨーロッパの原子力作業員の研究では、相対生物学的効果を20とみなした場合、アルファ線の発がん性（肺がんの観点から）は外部ガンマ線量について報告されているものと一致するようであることが判明した。つまり、吸入されたアルファ粒子の一定量は、20倍高いガンマ線量と同じリスクをもたらす。[ 16 ]強力なアルファ線放出核種であるポロニウム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毎秒放出する）は、喫煙に関連する肺がんや膀胱がんに関与している疑いがある。 [ 17 ] 210 Poは、 2006年にロシアの反体制派で元FSB職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。[ 18 ]
1896年、アンリ・ベクレルは、ウランが写真乾板を黒くする目に見えない放射線を放出すること、そしてこの謎の放射線が燐光ではないことを発見した。[ 10 ]： 49 1898年、マリー・キュリーは、彼女が「放射能」と呼んだこの現象はウラン特有のものではなく、個々の原子の性質であることを示した。[ 10 ]： 55アーネスト・ラザフォードはウラン放射線を研究し、それが気体粒子を電離できることを発見した。[ 20 ]： 2
1899年、ラザフォードはウラン放射線が2種類の放射線の混合物であることを発見した。[ 10 ]： 60彼は4cmの空気で隔てられた2つの電極を用いた実験を行った 。彼は下側の電極にウランを置き、ウランからの放射線が電極間の空気を電離させ、電流を発生させた。次にラザフォードはウランの上にアルミニウム箔（厚さ5マイクロメートル）を置き、電流が少し減少することに気づいた。これは箔がウランの放射線の一部を吸収していることを示している。ラザフォードはウランの上にさらに数枚の箔を置き、最初の4枚の箔では電流が幾何級数的に着実に減少することを発見した。しかし、ウランの上に4層目の箔を置いた後は、電流はそれ以上減少せず、12層目までほぼ一定に保たれた。この結果は、ウラン放射線が2つの成分を持つことを示している。ラザフォードは、数層の箔で完全に吸収される成分を「アルファ放射線」と名付け、残りの成分は多くの箔を透過することができ、後者を「ベータ放射線」と名付けた。[ 19 ]
1900年、マリー・キュリーは、アルファ線の吸収係数が、その経路に置いた障壁が厚くなるほど増加するように見えることに気づいた。これは、アルファ放射線が光の一種ではなく、障壁を通過する際に運動エネルギーを失う粒子で構成されていることを示唆していた。1902年、ラザフォードは、磁場と電場によってアルファ線を偏向させることができることを発見し、アルファ放射線が電気的に帯電した粒子で構成されていることを示した。アルファ粒子が偏向する方向は陰極線とは逆であり、アルファ粒子が正に帯電していることを示していた。[ 21 ] [ 22 ]
1906年、ラザフォードはアルファ粒子の電荷質量比についてより精密な測定を行った。まず、線源がラジウムであろうとアクチニウムであろうと、その比はほぼ同じであることを発見し、アルファ粒子は線源に関係なく同じであることを示した。次に、アルファ粒子の電荷質量比は水素イオンの半分であることを発見した。ラザフォードは3つの説明を提案した。(1) アルファ粒子は電荷1eの水素分子(H₂)である。 (2) アルファ粒子は電荷2eのヘリウム原子である。(3) アルファ粒子は電荷1eのヘリウム原子の半分である。当時、科学者たちは水素イオンの原子量が1で電荷が1eであること、ヘリウムの原子量が4であることを知っていました。原子に電子がいくつあるかは正確には誰も知りませんでした。陽子と中性子はまだ発見されていませんでした。ラザフォードは、2番目の説明が最ももっともらしいと判断した。なぜなら、それは最も単純であり、ヘリウムの相当量の鉱床は、放射性元素の鉱床の近くの地下でよく見つかるからである。彼の説明は、アルファ粒子が地下の放射性元素から放出されると、岩盤層に捕捉されて電子を獲得し、ヘリウム原子になるというものだった。[ 23 ]したがって、アルファ粒子は本質的に2つの電子を剥ぎ取られたヘリウム原子である。
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ついに証明した。[ 24 ]このために、彼らは既知のアルファ粒子放出体であるラジウムから放出されるガスをガラス管内に集めて精製した。管内で電気火花放電を起こすと光が生じた。この光のスペクトルをその後研究した結果、ガスはヘリウムであり、したがってアルファ粒子は確かにヘリウムイオンであることが示された。[ 10 ] : 61
1911年、ラザフォードはアルファ粒子散乱データを用いて、原子の正電荷は小さな原子核に集中していると主張した。1913年、アントニウス・ファン・デン・ブルークは、原子の核電荷、ひいては電子の数は原子番号に等しいと示唆した。[ 10 ]： 228 [ 25 ] [ 26 ]したがって、ヘリウム原子は2つの電子を持ち、アルファ粒子は本質的にヘリウム原子核である。1920年、ラザフォードは陽子が原子の正電荷の源であることを推論した。1932年、ジェームズ・チャドウィックは中性子を発見した。その後、アルファ粒子は2つの陽子と2つの中性子の集合体であることが知られるようになった。
ヘリウム3の反物質相当物は1970年から知られていたが、国際STARコラボレーションのメンバーが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4原子核の反物質パートナーを検出するまでには2010年までかかった。 [ 27 ]ラザフォード散乱実験と同様に、反物質実験では金が使用された。今回は、ほぼ光速で移動し正面衝突して反粒子、別名「反アルファ」粒子を生成する金イオンが使用された。[ 28 ]
アルファ線放出性放射性核種は現在、癌性腫瘍を根絶するために3つの異なる方法で使用されている。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結合である。
ラジウム223はアルファ線放出核種であり、カルシウム模倣物質であるため、骨に自然に引き寄せられます。ラジウム223（ラジウム223二塩化物として）は、がん患者の静脈に注入され、その後、転移性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します。骨内に入ると、Ra-223はアルファ放射線を放出し、100マイクロメートル以内の腫瘍細胞を破壊することができます。このアプローチは、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ます。 [ 33 ]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できます。しかし、これは、血管が発達していない（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します。
ラジウム224は、DaRT（拡散アルファ放出放射線療法）と呼ばれるがん治療装置でアルファ線源として利用される放射性原子です。各ラジウム224原子は崩壊過程を経て6個の娘原子を生成します。この過程で4個のアルファ粒子が放出されます。アルファ粒子の飛程は最大100マイクロメートルで、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拡散することができ、シードが適切に配置されていれば、腫瘍全体を破壊するのに十分な放射線を持つ「殺傷領域」を作り出すことができます。[ 34 ]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、シードを世界中のあらゆる場所にあるがん治療センターに輸送するのに十分な長さです。
固形腫瘍に対する標的アルファ療法では、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、静脈内投与によって癌患者に投与します。[ 35 ]
コンピュータ技術において、 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実現し、この問題はほぼ解決されたと考えられています。[ 36 ]
水素とヘリウムの場合を考察すると、水素は電子を1つ、ヘリウムは2つ持っていることから、電子の数が原子量のちょうど半分になることはないことは明らかである。このことから、ファン・デン・ブルークは、原子核上の電荷単位の数、ひいては外部電子の数が、原子量の増加順に並べたときの元素の数に等しくなる可能性があるという興味深い提案をした。
半分ではないというファン・デル・ブルークの当初の提案は、私には非常に有望に思える。
アルファ粒子に関するメディアは、ウィキメディア・コモンズで閲覧できます。
