放射性核種

放射性核種（放射性同位体）とは、不安定で、放射性崩壊を起こして別の核種に変化することが知られている核種のことです。この別の核種は、別の放射性核種（崩壊系列を参照）である場合もあれば、安定な核種である場合もあります。放射性核種から放出される放射線は、他の原子から電子を放出するのに十分なエネルギーを持っているため、ほぼ常に電離放射線です。

放射性崩壊は、単一原子レベルではランダムなプロセスであり、特定の原子がいつ崩壊するかを予測することは不可能です。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}単一の核種の原子の集合については、平均崩壊率を測定し、半減期（t _1/2）を計算することができます。半減期は55桁もの範囲で変化し、既知の限界はありません。

すべての化学元素には放射性核種が存在します。最も軽い水素でさえ、よく知られた放射性核種であるトリチウムを持っています（ただし、ヘリウム、リチウム、ホウ素には半減期が1秒を超える放射性核種はありません）。鉛より重い元素（Z > 82）と、テクネチウムおよびプロメチウムは、放射性核種のみを持ち、安定な形態では存在しません。ただし、ビスマスは、その天然同位体の半減期が宇宙の現在の年齢の1兆倍以上であるため、安定しているとみなすことができます。

放射性核種の人工的な製造方法には、原子炉などの中性子源や、サイクロトロンなどの粒子加速器が含まれる。

放射性核種からの放射線は、一般的に人間を含む生物に有害な影響を及ぼしますが、低レベルの被ばくは自然界でも発生します。害の程度は、放射線の種類と量（アルファ線、ベータ線、ガンマ線、中性子線）、被ばくの量と種類（密接な接触、吸入、摂取）、および元素の生化学的性質（毒性）によって異なります。がんのリスク増加は避けられず、最悪の場合はがん、慢性放射線症候群、または急性放射線症候群を引き起こします。放射性核種は、核兵器の放射性降下物や放射線兵器によって兵器として使用されることがあります。

放射性核種は、核医学において診断と治療の両方に使用されます。放射性核種を用いて作られた画像診断用トレーサーは放射性トレーサーと呼ばれます。放射性核種療法は放射線療法の一種です。放射性核種を用いて作られた医薬品は放射性医薬品と呼ばれます。

放射性核種は自然界にも存在し、原子炉、サイクロトロン、粒子加速器、放射性核種発生器などで人工的に生成されます。半減期が1時間を超える放射性核種は735種類知られています（核種一覧を参照）。そのうち35種類は地球形成時から存在し続けている原始放射性核種であり、さらに62種類は原始放射性核種の娘核種として、または宇宙線によって継続的に生成され、自然界で検出可能です。半減期が60分未満の放射性核種は2400種類以上あります。これらのほとんどは人工的にのみ生成され、半減期が非常に短いものです。比較のために、安定核種は251種類あります。

合成

合成放射性核種は、原子炉や粒子加速器（必ずしも意図的にではない）で生成されるか、あるいはそれらの崩壊生成物として生成される。 ^{[ 3 ]}

• 放射性同位体は、核廃棄物から抽出されるだけでなく、原子炉に存在する高束の中性子を利用して意図的に製造することもできます。これらの中性子は、原子炉内に置かれた元素を活性化します。原子炉から得られる典型的な生成物は、イリジウム標的を活性化することによって得られるイリジウム192です。原子炉内で中性子を吸収する傾向が大きい元素は、中性子断面積が大きいと言われますが、断面積が低い場合でも、このプロセスは一般的に経済的です。
• サイクロトロンなどの粒子加速器は、粒子を加速して標的に照射し、放射性核種を生成します。サイクロトロンは（多くの場合）陽子を標的に照射して、フッ素18などの陽電子放出性放射性核種を生成します。
• 多くの医療用同位体で標準的に用いられる放射性核種発生器は、崩壊して半減期の短い放射性娘核種を生成する親核種を含んでいる。典型的な例はテクネチウム99m発生器であり、これは原子炉で生成されたモリブデン99mを使用する。

放射性核種は、主に2つの方法で利用されます。1つは放射線そのものを利用する方法（放射線照射、原子力電池）、もう1つは化学的性質と放射線を組み合わせて利用する方法（トレーサー、バイオ医薬品）です。科学的研究においては、その元素の安定同位体が存在しない場合、化学的性質のみを利用することもあります。

• 生物学において、放射性核種（多くは炭素）は、非放射性核種と化学的に非常に似ているため、放射性トレーサーとして利用できます。そのため、ほとんどの化学的、生物学的、生態学的プロセスにおいて、放射性核種はほぼ同じように扱われます。ガイガーカウンターなどの放射線検出器を用いて結果を調べることで、供給された原子がどこに取り込まれたかを特定できます。例えば、二酸化炭素に放射性炭素を含む環境で植物を栽培すると、大気中の炭素を取り込んだ植物の部位が放射性になります。放射性核種は、DNA複製やアミノ酸輸送などのプロセスをモニタリングするためにも利用できます。
• 物理学や生物学では、放射性核種X線蛍光分析（従来のX線源も使用可能）を用いて化合物の化学組成を決定しています。放射性核種線源からの放射線が試料に照射され、試料中の特性X線を励起します。この放射線を検出し、測定されたスペクトルを分析することで試料の化学組成を決定できます。特性放射線線のエネルギーを測定することで、放射線を放出する化学元素の陽子数を決定することができ、放出された光子数を測定することで、個々の化学元素の濃度を決定することができます。
• 核医学では、放射性同位元素は診断、治療、研究に使用されます。ガンマ線または陽電子を放出する放射性化学トレーサーは、人間の脳を含む特定の臓器の内部構造と機能に関する診断情報を提供できます。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}これは、単光子放出コンピューター断層撮影、陽電子放出断層撮影（PET）スキャン、チェレンコフ発光イメージングなどの一部の断層撮影法で使用されます。放射性同位元素は、造血器腫瘍の治療法としても使用されますが、固形腫瘍の治療における成功は限られています。より強力なガンマ線源は、注射器やその他の医療機器を滅菌します。
• 食品保存において、放射線は収穫後の根菜の発芽を抑制したり、寄生虫や害虫を駆除したり、貯蔵中の果物や野菜の熟成を制御したりするために利用されます。食品照射には通常、コバルト60やセシウム137などの強力なガンマ線放出核種が使用されます。
• 産業分野や鉱業分野では、放射性核種からの放射線は、溶接部の検査、漏洩の検出、金属の摩耗、浸食、腐食の速度の研究、および幅広い鉱物や燃料の現場分析に利用されることがある。
• 宇宙船では、放射性核種は電力と熱を供給するために使用され、特に放射性同位体熱電発電機（RTG）や放射性同位体ヒーターユニット（RHU）を通して利用される。
• 素粒子物理学では、放射性核種はベータ崩壊生成物のエネルギーと運動量を測定することによって新しい物理学（標準模型を超える物理学）を発見するのに役立ちます（例えば、ニュートリノのない二重ベータ崩壊や、弱く相互作用する重粒子の探索など）。^{[ 7 ]}
• 生態学において、放射性核種は汚染物質の追跡・分析、地表水の動きの研究、雨や雪による流出量の測定、さらには小川や河川の流量測定などに用いられる。
• 地質学、考古学、古生物学では、天然の放射性核種を用いて岩石、鉱物、化石の年代を測定します。これは放射年代測定法と呼ばれます。

放射性核種には、さまざまな特性と用途があります。

凡例：Z  =原子番号、N =中性子数、DM =崩壊モード、DE =崩壊エネルギー、EC =電子捕獲         

家庭用煙感知器

放射性核種は、最も一般的な家庭用煙探知器の内部で使用されているため、多くの家庭に存在します。使用されている放射性核種はアメリシウム241で、原子炉内でプルトニウムに中性子を照射することによって生成されます。アルファ粒子とガンマ線を放出して崩壊し、ネプツニウム237になります。煙探知器は、二酸化アメリシウムの形でごく少量の^241Am （煙探知器1台あたり約0.29マイクログラム）を使用します。241Am^{は、アルファ粒子を放出して探知器の}電離室内の空気を電離するため使用されます。電離した空気に小さな電圧をかけると、小さな電流が発生します。煙が存在すると、一部のイオンが中和され、電流が減少して探知器のアラームが作動します。^{[ 8 ] [ 9 ]}

環境中に放出された放射性核種は、放射能汚染として有害な影響を引き起こす可能性があります。また、治療中に過剰に使用されたり、その他の方法で生物に曝露されたりすると、放射線中毒によって損傷を引き起こす可能性もあります。放射性核種への曝露による潜在的な健康被害は多くの要因に依存し、「健康な組織や臓器の機能を損なう可能性があります。放射線被ばくは、皮膚の発赤や脱毛から放射線熱傷や急性放射線症候群まで、さまざまな影響を引き起こす可能性があります。長期にわたる被ばくは細胞を損傷し、ひいては癌につながる可能性があります。癌細胞の兆候は、被ばく後数年、あるいは数十年経ってから現れる可能性があります。」^{[ 10 ]}

以下は、半減期が1時間を超える986種類の核種の一覧表です。合計251種類の核種は崩壊が観測されたことがなく、古典的には安定であると考えられています。これらのうち90種類は陽子崩壊（観測されたことがない）を除いて完全に安定であると考えられており、残りは「観測的に安定」であり、理論的には非常に長い半減期で放射性崩壊を起こす可能性があります。

残りの表に記載されている放射性核種は半減期が 1 時間より長く、特性がよく分かっています (完全な表については核種リストを参照)。これらには、推定宇宙年齢 (138 億年^{[ 11 ]} ) より長い半減期が測定された 31 の核種と、半減期が十分に長い (>  1億年) 放射性原始核種 であり、約 46 億年前の太陽系形成以前から星間塵の中に存在して地球上で検出される可能性がある4 つの核種が含まれます。さらに 60 を超える短寿命核種は、長寿命核種または宇宙線生成物の娘として自然に検出できます。残りの既知の核種は、人工核変換によってのみ知られています。

現在安定核種に分類されている一部の核種が、非常に長い半減期を持つ放射性核種であることが観測されているため、将来的に数値が若干変更される可能性がある。

これは、核種リストに示されている、半減期が1時間より長い986の核種（安定核種を含む）の要約表^{[ 12 ]}です。

• 核種リストには、半減期が1時間を超えるすべての放射性核種が表示されます。
• 超蓄積生物表 – 3（放射性核種を蓄積することで知られる生物を含む）
• 生物学における放射能
• 放射年代測定
• 放射性核種システルノグラム
• 石油・ガス井における放射能の利用

• Carlsson, J.; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J; et  al. (2003). "放射性核種による腫瘍治療：進歩と問題点の評価". Radiotherapy and Oncology . 66 (2): 107– 117. doi : 10.1016/S0167-8140(02)00374-2 . PMID 12648782 . 
• 「産業における放射性同位元素」。世界原子力協会。2013年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年5月2日取得。
• マーティン、ジェームズ（2006）。放射線防護のための物理学：ハンドブック。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。130ページ 。ISBN 978-3527406111。

• ルイグ、H.ケラー、AM;グリーベル、JR (2011)。 「放射性核種、1. はじめに」。ウルマン工業化学百科事典。土井: 10.1002/14356007.a22_499.pub2。ISBN 978-3527306732。

• EPA – 放射性核種– EPAの放射線防護プログラム：情報。
• FDA – 放射性核種– FDAの放射線防護プログラム：情報。
• 核種のインタラクティブチャート– すべての核種を一覧できるチャート
• 国立同位体開発センター– 米国政府による放射性核種の供給源 – 製造、研究、開発、流通、および情報提供
• 核種のライブチャート – IAEA
• 放射性核種生成シミュレーター – IAEA