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原子核科学において、崩壊連鎖とは、特定の不安定な化学元素の原子核が経験する、予測可能な一連の放射性崩壊を指す。
放射性同位体は通常、安定同位体に直接崩壊するのではなく、別の放射性同位体に崩壊します。この放射性放出によって生成された同位体は、さらに別の、多くの場合放射性同位体に崩壊します。この崩壊の連鎖は必ず安定同位体で終わり、その原子核はもはや放射線を放出するのに必要な余剰エネルギーを持ちません。このような安定同位体は、基底状態に達したと言われます。
崩壊連鎖の段階またはステップは、前後の段階との関係によって呼ばれます。したがって、親同位体とは、崩壊して娘同位体を形成する同位体のことです。たとえば、元素92のウランには、中性子144個の同位体（236U）があり、これは元素90のトリウムの同位体（中性子142個）（232Th）に崩壊します。娘同位体は安定である場合もあれば、それ自体が崩壊して別の娘同位体を形成する場合もあります。232Thは、ラジウム228に崩壊するときにこれを行います。228Raなどの娘同位体の娘は、孫娘同位体と呼ばれることもあります。228Raは、安定同位体である208Pbが生成され、236Uの崩壊連鎖が終了するまで、さらに8回の崩壊と核変換を受けます。
親同位体の原子が娘核種に崩壊するのに要する時間は、根本的に予測不可能であり、大きく変動します。個々の原子核については、この過程の原因は特定できないことが知られており、したがって崩壊が起こる時間は完全にランダムです。唯一可能な予測は統計的なものであり、平均的な崩壊率を表します。この崩壊率は、同位体に固有の崩壊定数（λ ）を用いて、指数関数的減衰分布の曲線を調整することによって表すことができます。この理解に基づくと、不安定な原子の初期集団の放射性崩壊は、時間tにわたってe − λtで与えられる曲線に従います。
この分析から、放射性物質の最も重要な特性の1つである半減期が導き出されます。これは、一定数の放射性原子の半分が崩壊するのに要する時間を指し、同位体の崩壊定数λに反比例します。多くの放射性核種の半減期は実験室で測定されており、ほぼ瞬時（水素5は光子が原子核の一端からもう一端まで移動するよりも短い時間で崩壊する）から、宇宙の年齢よりも14桁も長いもの（テルル128の半減期は）まで様々です。2.2 × 10 24 年。
バットマン方程式は、崩壊系列が十分に進行し、その娘核種の一部が安定（すなわち非放射性）な終点に達した時点で、その崩壊系列を構成するすべての同位体の相対量を予測します。この状態に達した崩壊系列は、数十億年かかる場合があり、平衡状態にあると言われます。平衡状態にある放射性物質のサンプルは、それを構成する同位体が崩壊系列をたどるにつれて、放射能が一定かつ徐々に減少していきます。一方、放射性物質のサンプルが同位体濃縮されている場合、つまり、崩壊系列が唯一の原因である場合よりも放射性同位体が多く存在する場合、そのサンプルは非平衡状態にあると言われます。この非平衡状態の直感に反する結果として、濃縮された物質のサンプルでは、親核種よりも放射能の高い娘核種が蓄積されるにつれて、放射能が増加することがあります。濃縮ウランと劣化ウランの両方が、この現象の例を示しています。
化学元素は2つの段階を経て誕生した。最初の段階はビッグバン直後に始まった。宇宙誕生から10秒から20分の間に、軽原子の初期の凝縮によって4つの最も軽い元素が生成された。この初期の生成の大部分は、水素の3つの最も軽い同位体（プロチウム、重水素、三重水素）と、ヘリウムの9つの既知の同位体のうち2つ（ヘリウム3とヘリウム4）であった。微量のリチウム7とベリリウム7も生成された可能性が高い。
知られている限りでは、より重い元素はすべて、最初の星の誕生とともに始まった第2段階の元素合成において、約1億年後に生成され始めた。[ 1 ]恒星進化の原動力となる核融合炉は、ヘリウムより重いすべての元素を大量に生成するために必要であり、r過程とs過程も必要であった。恒星の核で起こる中性子捕獲反応によって、鉄とニッケル（原子番号26と28）までのすべての元素が生成されたと考えられている。超新星爆発に伴う極限状態は、酸素からルビジウムまでの元素（つまり、原子番号8から37）を生成することができる。安定同位体を持たない元素を含む、より重い元素（原子番号が鉛（82）より大きいすべての元素）の生成は、中性子星の合体時に放出される膨大な量の自由中性子の中で作用するr過程元素合成に依存しているようだ。
現在地球上に存在する各化学元素の同位体のほとんどは、約45億年前、太陽の原始惑星系円盤から地球が凝縮した時までに、そのような過程によって形成されたものです。これらのいわゆる原始元素の例外は、不安定な親原子核がいくつかの崩壊系列のいずれかを進むにつれて放射性崩壊を起こし、それぞれが既知の251の安定同位体のいずれかを生成することで終了するものです。宇宙または恒星核合成と崩壊系列を除けば、化学元素を生成する他の方法は、原子兵器、原子炉（天然または人工）、または粒子加速器による原子核の骨の折れる原子ごとの組み立てに頼るだけです。
不安定な同位体は一定の速度で娘核種（場合によってはさらに不安定になる）に崩壊し、最終的には、多くの場合一連の崩壊を経て安定同位体に到達します。宇宙には251の安定同位体が存在します。安定同位体では、軽い元素は一般的に、重い元素よりも原子核内の陽子に対する中性子の比率が低くなっています。ヘリウム4などの軽い元素は、中性子と陽子の比率がほぼ1:1です。ウランなどの最も重い元素は、陽子1個あたり約1.5個の中性子を持っています（たとえば、ウラン238では1.587個）。鉛208より重い核種は安定していません。これらの重い元素は、主にアルファ崩壊によって質量を放出して安定する必要があります。中性子と陽子の比 (n/p) が高い同位体のもう一つの一般的な崩壊方法はベータ崩壊で、核種は同じ質量数を維持し、n/p 比を下げながら元素の同一性を変化させます。比較的 n/p 比が低い一部の同位体では、逆ベータ崩壊があり、陽子が中性子に変換されて安定同位体へと移行します。しかし、核分裂はほとんどの場合中性子が多い生成物を生成するため、陽電子放出や電子捕獲は電子放出に比べてまれです。比較的短いベータ崩壊系列は多数あり、約 207 までの離散的な重量ごとに少なくとも 2 つ (重いベータ崩壊と軽い陽電子崩壊)、そしてそれ以上のものもありますが、質量が大きい元素 (鉛より重い同位体) では、すべての崩壊系列を網羅する経路は 4 つしかありません。これは、崩壊方法が主に2種類しかないためです。1つはアルファ線による崩壊で、質量数が4減少します。もう1つはベータ線による崩壊で、質量数は変化しません。崩壊経路は4n、4n + 1、4n + 2、4n + 3の4つに分類されます。原子質量を4で割った余りが、その同位体が崩壊する際にたどる連鎖を表します。他にも崩壊モードはありますが、それらはアルファ崩壊やベータ崩壊よりも発生確率が低いのが一般的です。 （これらの連鎖に分岐がないと考えるべきではありません。下の図は連鎖のいくつかの分岐を示していますが、実際には図に示されているよりもはるかに多くの同位体が存在するため、分岐はもっとたくさんあります。）例えば、合成されたニホニウム-278の3番目の原子は、メンデレビウム-254まで6回のアルファ崩壊を起こし、続いてフェルミウム-254まで電子捕獲（ベータ崩壊の一種）を起こし、さらに7回目のアルファ崩壊でカリホルニウム-250になりました[ 2 ]。その後、4n + 2 連鎖 (ラジウム系列) は、この記事で示されているとおりです。しかし、合成された最も重い超重核種は、数回のアルファ崩壊後に自発的に核分裂する核種に到達して連鎖を終了させるため、4 つの崩壊連鎖に到達しません。これは、合成された最初の 2 つのニホニウム - 278 原子[ 3 ] [ 4 ]および生成されたすべてのより重い核種で起こったことです。
これらの連鎖のうち 3 つには、上部に長寿命の同位体 (または核種) があります。この長寿命の核種は、連鎖が非常にゆっくりと流れる過程のボトルネックであり、その下の連鎖を「生き生き」に流動させています。 3 つの長寿命核種は、ウラン 238 (半減期 44億6300万年)、ウラン 235 (半減期 7億400万年)、トリウム 232 (半減期 141億年) です。 4 番目の連鎖には、上部にそのような長寿命のボトルネック核種がないため、この連鎖はとっくに崩壊して、終点の直前の最後の核種であるビスマス 209 まで達しています。この核種は長い間安定していると考えられていましたが、2003 年に不安定であることが判明し、半減期は 201 兆年と非常に長いことが分かりました。[ 5 ]これは、安定なタリウム 205 の前の連鎖の最後の段階です。このボトルネックが非常に長期間続くため、最終崩壊生成物はごく少量しか生成されず、実際的な目的においてはビスマス209が最終崩壊生成物となる。
過去には、太陽系の歴史の最初の数百万年間、不安定な高質量核種がより多く存在し、4 つの連鎖は、その後崩壊して消滅した核種が含まれていたため、より長くなっていました。特に、244 Pu、237 Np、および247 Cm は半減期が 100 万年を超えており、当時はそれぞれ 4n、4n+1、および 4n+3 連鎖の上位のボトルネックであったと考えられます[ 6 ] - 244 Pu と247 Cm は存在していたことが確認されています。(4n+2 連鎖では238 Uより上位に半減期が 100 万年を超える核種はありません。) 今日では、かつて消滅したこれらの同位体の一部は、製造されたため再び存在しています。こうしてそれらは再び連鎖の中に位置づけられる。核兵器に使用されるプルトニウム239は、半減期24,500年でアルファ崩壊によりウラン235に崩壊する主要な例である。また、ネプツニウム237の大規模な生産も行われ、消滅した第4の連鎖が復活した。[ 7 ]したがって、以下の表は、質量数249から252までのカリホルニウム同位体から4つの崩壊連鎖を開始している。
これら4つの連鎖は、次のセクションの図にまとめられています。
放射性崩壊の最も一般的な 4 つのモードは、アルファ崩壊、ベータ崩壊、逆ベータ崩壊(陽電子放出と電子捕獲の両方として考えられる)、および異性体遷移です。これらの崩壊過程のうち、アルファ崩壊 (ヘリウム 4原子核の核分裂)だけが原子核の質量数( A ) を変化させ、常に 4 だけ減少させます。このため、ほとんどすべての崩壊によって、原子質量数が mod 4 で同じ剰余を持つ原子核が生成されます。これにより、核種のリストは 4 つのクラスに分けられ、それぞれが主要な崩壊系列を形成します。
これらのうち3つは自然界で容易に観測され、一般にトリウム系列、ラジウム系列またはウラン系列、アクチニウム系列と呼ばれ、これら4つのクラスのうち3つを構成し、鉛の3つの異なる安定同位体で終わります。この系列の各同位体の質量数は、それぞれA = 4 n、A = 4 n + 2 、または A = 4 n + 3 と表すことができます。これら3つの同位体の長寿命の開始同位体、それぞれトリウム-232、ウラン-238、およびウラン-235は、1940年代以降に作られた人工同位体とその崩壊を無視すれば、地球の形成以来存在しています。
出発同位体であるネプツニウム237の半減期が比較的短い（214万4千年）ため、A = 4n + 1のネプツニウム系列である第4系列は、最終律速段階であるビスマス209の崩壊を除いて、すでに自然界では消滅している。しかし、ウラン鉱石中のニュートロン反応の結果として、237Npとその崩壊生成物の痕跡が自然界に存在する。天然トリウムによるニュートロン捕獲で233Uが生成される可能性もある。[ 8 ]この系列の最終同位体は現在、タリウム205であることが知られている。古い資料の中には最終同位体をビスマス209とするものもあるが、2003年にビスマス209はごくわずかに放射性があり、半減期は200万年であることが発見された。 2.01 × 10 19 年。[ 9 ]
軽元素の不安定同位体、例えばマグネシウム28や塩素39の非超ウラン崩壊系列も存在する。地球上では、1945年以前のこれらの系列の出発同位体のほとんどは宇宙線によって生成された。1945年以降、核兵器の実験と使用によって、多数の放射性核分裂生成物も放出されている。これらの同位体のほぼすべては、β−またはβ+崩壊モードのいずれかで崩壊し、同じ原子質量で1つの元素から別の元素へと変化する。このような系列の後期の娘核種は、ベータ安定性に近いため、一般的に半減期が長くなる。
以下の 4 つの表では、非常に小さな崩壊分岐 (分岐確率が 100 万分の 1 未満) は省略されています。自発核分裂も省略されていますが、最も重い偶数原子核ではこれよりも大きく、トリウムまで検出可能です。特に断りのない限り、すべての核データは[ 9 ]から取得されています。同位体の歴史的な名称は[ 15 ]に記録されています。
エネルギー放出には、放出されたすべての粒子（電子、アルファ粒子、ガンマ量子、ニュートリノ、オージェ電子、X線）と反跳する崩壊生成物原子核の全運動エネルギーが含まれます。これは原子質量から計算される値に相当します。文字「a」は年を表します（ラテン語のannusに由来）。
表（ネプツニウム系列を除く）には、天然に存在する核種の歴史的な名称も記載されています。これらの名称は、崩壊系列が初めて発見され研究された当時に使用されていたものです。記載されている体系は1920年代にようやく確定しましたが、それ以前の名称も記載すると混乱を招くため、ここでは省略します。これらの歴史的な名称から、現代の同位体表記を導き出すことができます。
下記に示す3つの原始的な核種連鎖（トリウム、ウラン/ラジウム（ウラン238由来）、アクチニウム（ウラン235由来））は、それぞれ固有の鉛同位体（鉛208、鉛206、鉛207）で終わります。すべての鉛同位体は安定であり、原始核種として自然界にも存在するため、岩石の正確なウラン-鉛年代測定には、鉛204（原始起源のみ）と比較して、鉛同位体の過剰な量が必要となります。複数の鉛同位体を相関させることで、さらに高い精度が可能な鉛-鉛年代測定が実現します。
トリウム232の4n連鎖は一般に「トリウム系列」または「トリウムカスケード」と呼ばれます。この系列は鉛208で終わり、トリウムからの6回のアルファ崩壊と4回のベータ崩壊を経て形成されます。
プルトニウム244（トリウム232より数段階上の元素）は初期の太陽系に存在し、[ 6 ]半減期が8110万年と非常に長いため、今日でも微量ながら存在しているはずですが、[ 16 ]おそらく検出されていません。[ 17 ]
トリウム232から鉛208までの放射性崩壊で放出されるエネルギーの総量は、ニュートリノへの放出分を含めて42.65 MeVであり、カリホルニウム252からの放出では71.11 MeVである。最後のカリホルニウム252からの放出エネルギーは、4つの放射性崩壊系列の中で最も大きい。
ネプツニウム237の4n+1連鎖は一般に「ネプツニウム系列」または「ネプツニウムカスケード」と呼ばれています。この系列では、関連する同位体のうち、自然界に有意な量で存在するものは最後の2つ、すなわちビスマス209とタリウム205のみです。他の同位体の一部は、原始238Uの(n,2n)ノックアウト反応によって生成された微量の237Npに由来して、自然界で検出されています。[ 8 ]
この系列は、安定同位体であるタリウム205で終了し、ネプツニウムからの8回のアルファ崩壊と4回のベータ崩壊が起こる。
ネプツニウム系列は、いくつかの理由から、4つの元素の中でかなり独特な存在である。
ネプツニウム237からタリウム205への全エネルギーは、ニュートリノへのエネルギー損失を含めて49.29 MeVであり、カリホルニウム249では66.87 MeVである。ビスマスからタリウムへの最終段階のエネルギーは既知ではあるものの、想像もつかない未来まで入手できないため、ビスマス209へのエネルギーとして46.16 MeVと63.73 MeVという数値を引用する方が良いかもしれない。
ウラン238の4n+2連鎖は「ウラン系列」または「ラジウム系列」と呼ばれ、後者は命名当時最初に知られていたラジウム226に由来する。この系列は鉛206で終わり、これはウランからの8回のアルファ崩壊と6回のベータ崩壊によるものである。
ウラン238から鉛206への放出エネルギーの総量は、ニュートリノへの放出エネルギーを含めて51.69 MeVであり、カリホルニウム250からの放出エネルギーは68.28 MeVである。
ウラン235の4n+3連鎖は、最初に命名されたアクチニウム227にちなんで、一般に「アクチニウム系列」または「アクチニウムカスケード」と呼ばれています。この系列は、ウランからの7回のアルファ崩壊と4回のベータ崩壊を経て、鉛207で終わります。
初期の太陽系では、この連鎖は247 Cm まで遡りました。これは、キュリウムとウランの化学組成が著しく異なり、そのため分配も異なるため、今日では235 U/ 238 U 比の変動として現れます。 [ 6 ] [ 22 ]
ウラン235から鉛207への放出エネルギーの総量は、ニュートリノへの放出エネルギーを含めて46.40 MeVであり、カリホルニウム251からの放出エネルギーは69.91 MeVである。
{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
IAEA – 核種ライブチャート（崩壊系列付き）