陽電子放出

陽電子放出、ベータプラス崩壊、またはβ ⁺崩壊は、放射性崩壊の一種であるベータ崩壊の一種で、放射性核種原子核内の陽子が陽電子と電子ニュートリノ（ $νe$ ）を放出しながら中性子に変換される。 $[$ 1 ]陽電子^放出^は^弱い力によって媒介される。陽電子はベータ粒子（β ⁺ ）の一種であり、もう一方のベータ粒子は原子核のβ-崩壊^から放出される電子（β-）である^。

^{陽電子放出（β +}崩壊）の例として、マグネシウム23がナトリウム23に崩壊する様子を示す。

²³₁₂ Mg→²³₁₁ Na+

e +

+

ν e

陽電子放出は陽子の数を中性子の数に対して減少させるため、陽電子崩壊は通常、陽子数の多い大型放射性核種で起こります。陽電子崩壊は核変換を引き起こし、ある化学元素の原子を、原子番号が1つ少ない別の元素の原子に変化させます。

陽電子放出は、地球上の自然界では極めてまれにしか起こりません。既知の例としては、宇宙線との相互作用や、カリウム40などの特定の同位体の崩壊が挙げられます。この希少なカリウム同位体は、地球上のカリウム全体のわずか0.012%を占めるにすぎず、陽電子放出によって崩壊する確率は10万分の1です。

陽電子放出は、電子放出やベータマイナス崩壊（β−^崩壊）と混同してはならない。ベータマイナス崩壊とは、中性子が陽子に変化し、原子核が電子と反ニュートリノを放出する現象である。

陽電子放出は陽子崩壊とは異なり、陽子崩壊は中性子と結合した陽子に限らず、必ずしも陽電子の放出を伴うとは限らず、原子核物理学の一部ではなく、素粒子物理学の一部である。

陽電子放出の発見

1934年、フレデリック・ジョリオ＝キュリーとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーは、アルミニウムにアルファ粒子（ポロニウムから放出される）を照射し、核反応⁴₂ He + ²⁷₁₃ Al → ³⁰₁₅ P + ¹₀ nを起こさせ、生成物である同位体³⁰₁₅ Pが、 1932年にカール・デイヴィッド・アンダーソンが宇宙線で発見した陽電子と同一の陽電子を放出することを観測した。 ^[²^]これは、 β ⁺の最初の例であった。崩壊（陽電子放出）。キュリー夫妻はこの現象を「人工放射能」と名付けた。なぜなら、³⁰₁₅ Pは自然界には存在しない短寿命の核種だからである。この人工放射能の発見は、夫妻がノーベル賞を受賞した際の功績として挙げられることになる。

陽電子放出同位体

この崩壊を起こして陽電子を放出する同位体には、炭素-11、窒素-13、酸素-15、フッ素-18 、銅-64 、ガリウム-68、臭素-78、ルビジウム-82、イットリウム-86、ジルコニウム-89、^[³^]ナトリウム-22、アルミニウム-26、カリウム-40、ストロンチウム-83、ヨウ素-124などがあるが、これらに限定されない。^[³^]^[⁴^]例として、次の式は、陽電子とニュートリノを放出する炭素-11からホウ素-11へのベータプラス崩壊を表す。

放出されるエネルギーは崩壊する同位体によって決まります。0.96 MeVは炭素11の崩壊にのみ適用されます。

放出メカニズム

陽子と中性子の中には、クォークと呼ばれる素粒子が存在します。最も一般的なクォークは、+ 2 / 3の電荷を持つアップクォークと、-1/3の電荷を持つダウンクォークの2種類です。クォークは3個ずつペアになって、陽子と中性子を形成します。電荷が+1の陽子には、2個のアップクォークと1個のダウンクォークがあります（2/3 + 2/3 - 1/3 = 1）。電荷を持たない中性子には、1個のアップクォークと2個のダウンクォークがあります（2/3 - 1/3 - 1/3 = 0 ）。弱い相互作用によって、クォークはダウンからアップへとフレーバーを変化させることができ、その結果、電子が放出されます。陽電子放出は、アップクォークがダウンクォークに変化するときに起こり、実質的に陽子が中性子に変換されます。^[⁵^]

陽電子放出によって崩壊する原子核は、電子捕獲によっても崩壊する可能性がある。低エネルギー崩壊の場合、電子捕獲はエネルギー的に有利であり、その差は 2 m _ec ² =である。1.022 MeVである。これは、最終状態では陽電子が加えられるのではなく、電子が除去されるためである。崩壊エネルギーが上昇するにつれて、陽電子放出の分岐比も上昇する。ただし、エネルギー差が 2 m _ec ²未満の場合、陽電子放出は起こらず、電子捕獲が唯一の崩壊モードとなる。特定の電子捕獲同位体（例えば、⁷ベリリウム（Be）は銀河宇宙線中で安定している。なぜなら、電子が剥ぎ取られ、陽電子放出には崩壊エネルギーが小さすぎるからである。

エネルギー節約

陽電子は親原子核から放出されますが、娘原子（Z-1）は親原子核からZ個の原子電子を受け継いでおり、つまり娘原子は負イオンです（少なくとも陽電子放出直後は）。質量表は原子質量に関するものなので、 $_{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow _{Z-1}^{A}{\textrm {Y}}+_{+1}^{0}{\textrm {e}}^{+}+_{-1}^{0}{\textrm {e}}^{-}$ 、陽電子の質量は電子の質量と同一であるため、全体として2つの電子の質量エネルギーが必要となり、β ⁺崩壊は、親原子の質量が娘原子の質量を少なくとも2電子質量（2mec2 = 1.022 MeV）上回る場合に限り、エネルギー的^に可能と_なる。^[⁶^]

陽子から中性子への変換によって質量が増加する同位体、または質量が 2 m _e未満減少する同位体は、陽電子放出によって自発的に崩壊することはない。^{[ 6 ]}

応用

これらの同位体は、医療画像診断に用いられる技術である陽電子放出断層撮影（PET）に使用されます。

短寿命陽電子放出同位体¹¹ C (T ₁_⁄₂ =20.4 分）、^13N（_T_1/2₌9.9 分）、¹⁵ O （_T_1/2₌2.0 分）、および^18F_（ T _1/2₌陽電子放出断層撮影に使用される109.8 分) は、通常、天然または濃縮ターゲットへの陽子または重水素照射によって生成されます。^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

参考文献

↑ 「原子核化学」。ノースカロライナ大学チャペルヒル校。2012年6月14日取得。
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↑ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties" (PDF) . Chinese Physics C . 45 (3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
↑仕組み：陽電子放出
1 2 L'Annunziata, Michael F. (2016). Radioactivity: Introduction and History, From the Quantum to Quarks . Elsevier. p. 180. ISBN 9780444634962。
↑ 「ブリティッシュコロンビア大学における陽電子放出断層撮影イメージング」。陽電子放出断層撮影イメージング。ブリティッシュコロンビア大学。2018年1月22日のオリジナルからアーカイブ。 2012年5月11日取得。
↑ Ledingham KW、McKenna P、McCanny T、Shimizu S、Yang JM、Robson L、Zweit J、Gillies JM、Bailey J、Chimon GN、Clarke RJ (2004)。「陽電子放出断層撮影のための短寿命同位体の高出力レーザー生成」。Journal of Physics D: Applied Physics。37 ( 16 ): 2341–2345。Bibcode : 2004JPhD...37.2341L。doi : 10.1088 / 0022-3727/37/16 / 019。S2CID 250744282。

外部リンク

核種のライブチャート：核構造と崩壊データ（主な崩壊モード） - IAEA

[1] 「原子核化学」。ノースカロライナ大学チャペルヒル校。2012年6月14日取得。

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[5] 仕組み：陽電子放出

[L'Annunziata_180-6] 1 2 L'Annunziata, Michael F. (2016). Radioactivity: Introduction and History, From the Quantum to Quarks . Elsevier. p. 180. ISBN 9780444634962。

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