ベータ粒子

ベータ粒子はベータ線またはベータ放射線（記号β ）とも呼ばれ、ベータ崩壊と呼ばれる原子核の放射性崩壊によって放出される高エネルギー、高速の電子または陽電子です。ベータ崩壊には^β-崩壊とβ ⁺崩壊の2つの形式があり、それぞれ電子と陽電子を生成します。^[2]

エネルギーが 0.5 MeV のベータ粒子は、空気中で約 1 メートルの範囲を移動します。距離は、粒子のエネルギーと空気の密度および組成によって異なります。

ベータ粒子は電離放射線の一種で、放射線防護の目的ではガンマ線よりも電離性が高く、アルファ粒子よりも電離性が低いと考えられています。電離効果が高いほど生体組織への損傷は大きくなりますが、物質を通過する放射線の 透過力も低くなります。

中性子が過剰に存在する不安定な原子核は、^β崩壊を起こし、中性子が陽子、電子、電子反ニュートリノ（ニュートリノの反粒子）に変換されることがあります。

ん
→
p
+
e⁻
+
ν
_e

このプロセスは弱い相互作用によって媒介されます。中性子は仮想 W ⁻ボソンの放出によって陽子に変わります。クォークレベルでは、W ⁻放出によってダウンクォークがアップクォークに変わり、中性子 (アップクォーク 1 個とダウンクォーク 2 個) が陽子 (アップクォーク 2 個とダウンクォーク 1 個) に変わります。その後、仮想 W ⁻ボソンは電子と反ニュートリノに崩壊します。

β崩壊は、原子炉で生成される中性子に富む核分裂副産物の中で一般的に発生します。自由中性子もこの過程を経て崩壊します。これらの過程は両方とも、核分裂炉の燃料棒によって生成される大量のベータ線と電子反ニュートリノに寄与します。

陽子が過剰に存在する不安定な原子核は、陽電子崩壊とも呼ばれるβ ⁺崩壊を起こし、陽子が中性子、陽電子、電子ニュートリノに変換されることがあります。

p
→
ん
+
e⁺
+
ν
_e

ベータプラス崩壊は、娘核の結合 エネルギーの絶対値が親核の結合エネルギーの絶対値よりも大きい場合、つまり娘核がより低エネルギー状態の場合にのみ、核内部で発生します。

添付の崩壊図は、セシウム 137のベータ崩壊を示しています。137 Cs^は661 keV に特徴的なガンマピークを示しますが、これは実際には娘核種^137m Ba によって放出されます。この図には、放出された放射線の種類とエネルギー、その相対的存在量、および崩壊後の娘核種が示されています。

リン32は、医療で広く使用されているベータ線放出元素です。半減期は14.29日と短く^[3] 、次の原子核反応式に示すように ベータ崩壊により硫黄32に崩壊します。

崩壊中に1.709  MeVのエネルギーが放出されます。 ^[3]電子の運動エネルギーは平均約0.5 MeVで変化し、残りのエネルギーはほぼ検出できない電子反ニュートリノによって運ばれます。他のベータ線放出核種と比較すると、電子のエネルギーは中程度です。約1 mの空気または5 mmのアクリルガラスで遮られます。

放射性物質から放出される一般的な 3 種類の放射線、アルファ線、ベータ線、ガンマ線のうち、ベータ線の透過力と電離力は中程度です。放射性物質によって放出されるベータ粒子のエネルギーは異なりますが、ほとんどのベータ粒子は数ミリメートルのアルミニウムで止めることができます。ただし、これはベータ線放出同位体がそのような薄いシールドで完全に遮蔽できるという意味ではありません。ベータ電子は物質中で減速するため、ベータ線自体よりも透過力が高い二次ガンマ線を放出します。原子量の低い物質で作られたシールドはエネルギーの低いガンマ線を生成するため、鉛などの大きな原子で作られたシールドよりも単位質量あたりの効果がいくらか高くなります。

ベータ線は荷電粒子で構成されているため、ガンマ線よりも電離力が強い。ベータ粒子は物質を通過する際に電磁相互作用によって減速され、制動放射線 X線を放出することがある。

水中では、多くの核分裂生成物からのベータ線は、通常、その物質内の光速（真空中の光の約75％）を超えており、^[4]そのため、水を通過すると青色のチェレンコフ放射が発生します。プール型原子炉の燃料棒からの強力なベータ線は、原子炉を覆い保護する透明な水を通して視覚化できます（右の図を参照）。

ベータ粒子の物質に対する電離または励起効果は、放射測定検出機器がベータ放射線を検出および測定する基本的なプロセスです。ガスの電離は電離箱やガイガー・ミュラー計数管で使用され、シンチレータの励起はシンチレーション計数管で使用されます。次の表は、SI 単位と非 SI 単位での放射線量を示しています。

• グレイ(Gy)は吸収線量の SI 単位で、照射された物質に蓄積された放射線エネルギーの量です。ベータ線の場合、これは数値的にはシーベルトで測定される等価線量に等しく、低レベルの放射線が人体組織に及ぼす確率的な生物学的影響を示します。吸収線量から等価線量への放射線加重変換係数はベータの場合 1 ですが、アルファ粒子の場合は係数が 20 で、組織に対するイオン化効果が大きいことを反映しています。
• radは吸収線量を表す非推奨のCGS単位であり、 rem は等価線量を表す非推奨のCGS単位であり、主に米国で使用されています。

個々のベータ粒子に含まれるエネルギーはベータ分光法によって測定されます。得られたエネルギー分布をスペクトルとして研究するのがベータ分光法です。このエネルギーの決定は、磁場下での電子の軌道の偏向量を測定することによって行われます。^[5]

ベータ粒子は、眼や骨の癌などの健康状態の治療に使用でき、トレーサーとしても使用されます。ストロンチウム 90 は、ベータ粒子を生成するために最も一般的に使用される物質です。

ベータ粒子は、ローラー システムを通過する紙などのアイテムの厚さをテストするための品質管理にも使用されます。ベータ放射線の一部は、製品を通過する際に吸収されます。製品が厚すぎたり薄すぎたりすると、それに応じて吸収される放射線の量も異なります。製造された紙の品質を監視するコンピューター プログラムが、ローラーを動かして最終製品の厚さを変更します。

ベータライトと呼ばれる照明装置には、トリチウムと蛍光体が含まれています。トリチウムが崩壊すると、ベータ粒子が放出されます。ベータ粒子が蛍光体に当たると、テレビのブラウン管のように蛍光体が光子を放出します。照明には外部電源は必要なく、トリチウムが存在する限り（蛍光体自体が化学的に変化しない限り）継続します。生成される光の量は、トリチウムの半減期である 12.32 年で元の値の半分に減少します。

放射性トレーサー同位体のベータプラス（または陽電子）崩壊は、陽電子放出断層撮影（PET スキャン）で使用される陽電子の発生源です。

アンリ・ベクレルは、蛍光の実験中に、偶然、ウランが黒い紙で包まれた写真乾板に、 X線のように消すことのできない未知の放射線を照射していることを発見しました。

アーネスト・ラザフォードはこれらの実験を続け、2種類の放射線を発見しました。

• アルファ粒子は黒い包装紙に吸収されやすいため、ベクレルプレートには現れなかった。
• ベータ粒子はアルファ粒子よりも100倍も透過性が高い。

彼は1899年にその結果を発表しました。^[6]

1900 年、ベクレルはJJ トムソンが陰極線の研究と電子の特定に使用した方法を使用して、ベータ粒子の質量電荷比( m / e ) を測定しました。彼はベータ粒子のe / m がトムソンの電子と同じであることを発見し、ベータ粒子は実際には電子であると示唆しました。

ベータ粒子は生体組織に中程度に浸透し、DNAに自然変異を引き起こす可能性があります。

ベータ線源は癌細胞を殺すための放射線療法に使用できます。

• 一般的なベータ放出体
• 電子照射
• 素粒子物理学
• n（中性子）線
• δ（デルタ）線

• 放射能とアルファ線、ベータ線、ガンマ線、X線
• 光線と粒子 バージニア大学講義
• 放射線の歴史は、アイダホ州立大学のウェイバックマシンで2017年5月6日にアーカイブされました
• 核科学の基礎情報 2006-12-05 にアーカイブされたローレンス・バークレー国立研究所のWayback Machineで