放射性核種

放射性核種（放射性核種、放射性同位体、または放射性同位元素）は、中性子または陽子の数が過剰で、過剰な核エネルギーを与え、不安定にする核種です。この過剰エネルギーは、ガンマ線として原子核から放出される、電子の1つに移動して転換電子として放出される、または原子核から新しい粒子（アルファ粒子またはベータ粒子）を作成して放出するために使用される、という3つの方法のいずれかで使用されます。これらのプロセス中に、放射性核種は放射性崩壊を起こすと言われています。^{[1]これらの放出は、別の原子から電子を解放するのに十分なエネルギーがあるため、}電離放射線と見なされます。放射性崩壊により、安定した核種が生成される場合もあれば、さらに崩壊する可能性のある新しい不安定な放射性核種が生成される場合もあります。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す。つまり、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。^{[2] [3] [4] [5]}しかし、単一核種の原子の集合体については、その集合体の崩壊率、したがって半減期（t _{1/2 ）は、測定された}崩壊定数から計算することができます。放射性原子の半減期の範囲には既知の制限はなく、55桁以上の時間範囲にわたります。

放射性核種は自然に発生するか、または原子炉、サイクロトロン、粒子加速器、放射性核種生成装置で人工的に生成されます。半減期が 60 分を超える放射性核種は約 730 種類あります (核種の一覧を参照)。そのうち 32 種類は、地球が形成される前に生成された原始放射性核種です。少なくとも他の 60 種類の放射性核種は、原始放射性核種の娘核種として、または宇宙放射線によって地球上で自然に生成された放射性核種として、自然界で検出されます。半減期が 60 分未満の放射性核種は 2,400 種類以上あります。そのほとんどは人工的にのみ生成され、半減期は非常に短いです。比較すると、安定核種は約 251 種類あります。

すべての化学元素は放射性核種として存在することができます。最も軽い元素である水素にも、よく知られた放射性核種であるトリチウムが存在します。鉛よりも重い元素、およびテクネチウムとプロメチウムの元素は、放射性核種としてのみ存在します。

放射性核種への予期せぬ被曝は、通常、人間を含む生物に有害な影響を及ぼしますが、低レベルの被曝は自然に害を及ぼすことはありません。害の程度は、発生する放射線の性質と範囲、被曝の量と性質（密接な接触、吸入または摂取）、および元素の生化学的特性によって異なりますが、最も一般的な結果は、がんのリスク増加です。ただし、適切な特性を持つ放射性核種は、核医学の診断と治療の両方に使用されます。放射性核種で作られた画像トレーサーは、放射性トレーサーと呼ばれます。放射性核種で作られた医薬品は、放射性医薬品と呼ばれます。

地球上では、自然に発生する放射性核種は、原始放射性核種、二次放射性核種、宇宙線起源放射性核種の 3 つのカテゴリに分類されます。

• 放射性核種は、安定核種とともに、恒星内元素合成および超新星爆発で生成される。大部分は急速に崩壊するが、天文学的に観測することができ、天文学的過程の解明に寄与することができる。ウランやトリウムなどの原始放射性核種が現在も存在しているのは、半減期が非常に長い（1億年以上）ため、まだ完全に崩壊していないためである。一部の放射性核種は半減期が非常に長い（宇宙の年齢の何倍も長い）ため、崩壊が最近になってようやく検出されたが、実用上は安定していると見なすことができ、最も有名なのはビスマス209である。この崩壊の検出は、ビスマスがもはや安定しているとは見なされないことを意味した。他の核種でも崩壊が観測され、この原始放射性核種のリストに追加される可能性がある。
• 二次放射性核種は、原始放射性核種の崩壊から生じる放射性同位体です。これらは原始放射性核種よりも半減期が短く、原始同位体であるトリウム 232、ウラン 238、ウラン 235の崩壊系列で発生します。例としては、ポロニウムやラジウムの天然同位体があります。
• 炭素14などの宇宙線同位体は、宇宙線の影響で大気中で継続的に生成されているため存在する。^[6]

これらの放射性核種の多くは、宇宙線生成核種も含めて、自然界には微量しか存在しない。二次放射性核種は半減期に比例して発生するため、半減期の短いものは非常に稀である。例えば、ポロニウムはウラン鉱石中に1トンあたり約0.1mg （1010分の1 ^）の割合で存在する。^{[7] [8]}さらに、自発核分裂や稀な宇宙線との相互作用などの稀な事象の結果として、自然界には事実上検出できない量の放射性核種が存在する可能性がある。

放射性核種は、核分裂と熱核爆発の避けられない結果として生成されます。核分裂のプロセスでは、さまざまな核分裂生成物が生成されますが、そのほとんどは放射性核種です。さらに、核燃料（さまざまなアクチニドを生成）と周囲の構造物の照射によって放射性核種が生成され、活性化生成物が生成されます。さまざまな化学的性質と放射能を持つ放射性核種の複雑な混合物は、核廃棄物の取り扱いと核降下物の処理を特に困難にします。^[要出典]

合成放射性核種は、原子炉、粒子加速器、放射性核種生成装置を使用して意図的に合成される。 ^[9]

• 放射性同位元素は、核廃棄物から抽出されるだけでなく、原子炉で意図的に生成され、存在する高中性子流を利用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。原子炉からの典型的な生成物はイリジウム 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ています。
• サイクロトロンなどの粒子加速器は、粒子を加速してターゲットに衝突させ、放射性核種を生成します。サイクロトロンは、ターゲットで陽子を加速させ、フッ素 18などの陽電子放出放射性核種を生成します。
• 放射性核種生成器には、崩壊して放射性の娘核種を生成する親放射性核種が含まれています。親核種は通常、原子炉で生成されます。典型的な例は、核医学で使用されるテクネチウム 99m 生成器です。原子炉で生成される親核種はモリブデン 99です。

放射性核種は、主に 2 つの用途に使用されます。放射線のみを利用する場合 (放射線、原子力電池)、または化学的性質と放射線の組み合わせを利用する場合 (トレーサー、バイオ医薬品) です。

• 生物学では、炭素の放射性核種は非放射性核種と化学的に非常に類似しているため、放射性トレーサーとして使用できます。そのため、ほとんどの化学、生物、および生態学的プロセスでは、放射性核種をほぼ同じ方法で扱います。次に、ガイガーカウンターなどの放射線検出器で結果を調べて、提供された原子がどこに組み込まれたかを判断します。たとえば、二酸化炭素に放射性炭素が含まれる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分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監視するために使用できます。
• 物理学と生物学では、放射性核種蛍光X線分析法は化合物の化学組成を決定するために使用されます。放射性核種源からの放射線がサンプルに当たり、サンプル内で特性X線を励起します。この放射線が記録され、測定されたスペクトルの分析からサンプル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により、放射線を放出する化学元素の陽子数を決定でき、放出された光子の数を測定することにより、個々の化学元素の濃度を決定できます。
• 核医学では、放射性同位元素が診断、治療、研究に使用されています。ガンマ線や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や機能に関する診断情報を提供することができます。^{[10] [11] [12]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いくつかの形式の断層撮影で使用されます。放射性同位元素は、造血性腫瘍の治療方法でもありますが、固形腫瘍の治療での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。
• 食品保存では、収穫後の根菜類の発芽を止めたり、寄生虫や害虫を駆除したり、貯蔵された果物や野菜の熟成を制御したりするために放射線が使用されます。食品の照射には通常、コバルト60やセシウム137などの強いガンマ線放出を伴うベータ崩壊核種が使用されます。
• 産業界や鉱業では、放射性核種は溶接部の検査、漏れの検出、金属の摩耗・浸食・腐食の速度の研究、そしてさまざまな鉱物や燃料の稼働中の分析に使用されています。
• 宇宙船では、放射性核種は、特に放射性同位体熱電発電機(RTG) と放射性同位体ヒーターユニット(RHU)を通じて電力と熱を供給するために使用されます。
• 天文学と宇宙論において、放射性核種は恒星と惑星のプロセスを理解する上で重要な役割を果たします。
• 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して新しい物理学（標準モデルを超えた物理学）を発見するのに役立ちます（たとえば、ニュートリノのない二重ベータ崩壊や、弱い相互作用をする巨大粒子の探索）。^[13]
• 生態学では、放射性核種は汚染物質の追跡と分析、地表水の動きの研究、雨や雪からの流出水や小川や河川の流量の測定に使用されます。
• 地質学、考古学、古生物学では、天然放射性核種を使って岩石、鉱物、化石の年代を測定します。

次の表は、選択された放射性核種の特性を示し、特性と用途の範囲を示しています。

キー: 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

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ています。使用される放射性核種はアメリシウム 241で、これは原子炉でプルトニウムに中性子を衝突させることによって生成されます。これは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非常に少量の^{241 Am (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。241 Am が使用されるのは、アルファ粒子を放出して探知器のイオン化室の空気をイオン化するためです。イオン化された空気に小さな電圧が加えられ、小さな電流が発生します。煙があると、イオンの一部が中和され、それによって電流が減少し、探知器のアラームが作動します。^{[14] [15]}

環境に流入した放射性核種は、放射能汚染として有害な影響を及ぼす可能性があります。また、治療中に過剰に使用したり、その他の方法で生物に曝露すると、放射線中毒によって損傷を引き起こす可能性があります。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/臓器の機能に損傷を与える可能性があります。放射線曝露は、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。長期の曝露は細胞に損傷をもたらし、がんを引き起こす可能性があります。がん細胞の兆候は、曝露後数年、または数十年経ってから現れる場合があります。」^[16]

以下は、半減期が 1 時間を超える989 個の核種のリストの概要表です。合計 251 個の核種は崩壊が観測されたことがなく、従来から安定していると考えられています。これらのうち 90 個は陽子崩壊(観測されたことがない) を除いて絶対的に安定していると考えられており、残りは「観測的に安定」しており、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。

残りの表に挙げられている放射性核種は、半減期が1時間以上であり、特性がよく分かっています（完全な表については核種の一覧を参照）。これらには、宇宙の推定年齢（138億年^[17] ）よりも長い半減期が測定された核種が30種含まれ、さらに半減期が十分に長い（1億年超）ため放射性原始核種となり、太陽系が形成される前の約46億年前から星間塵の中に存在し続けており、地球上で検出される可能性がある核種が4種あります。その他の60種以上の短寿命核種は、長寿命核種の娘核種または宇宙線生成物として自然に検出されます。残りの既知の核種は、人工的な核変換によってのみ知られています。

数値は正確ではなく、将来的に若干変更される可能性があります。「安定核種」は半減期が非常に長い放射性物質として観測されているためです。

これは、核種リストに記載されている半減期が1時間を超える核種（安定核種を含む）989核種の概要表^[18]です。

このリストには一般的な同位体が網羅されており、そのほとんどはほとんどの国で一般の人々にごく少量提供されています。一般に公開されていないその他の同位体は、産業、医療、科学の分野で商業的に取引されており、政府の規制の対象となっています。

• 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
• ハイパーアキュムレータテーブル – 3
• 生物学における放射能
• 放射年代測定
• 放射性核種嚢胞造影検査
• 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」。放射線治療と腫瘍学。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日閲覧。
• 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。p. 130。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」。ウルマンの工業化学百科事典。土井：10.1002/14356007.a22_499.pub2。ISBN 978-3527306732。

ウィキメディア・コモンズには、放射性核種に関連するメディアがあります。

• 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 – すべての核種のチャート
• 国立同位元素開発センター – 米国政府の放射性核種の供給源 – 生産、研究、開発、配布、情報
• 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