崩壊連鎖

核科学において、崩壊系列とは、特定の不安定な化学元素の原子核が受ける 予測可能な一連の放射性崩壊を指します。

放射性同位体は通常、直接安定同位体に崩壊せず、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、その後別の、多くの場合は放射性同位体に崩壊します。この崩壊の連鎖は常に安定同位体で終了し、その原子核には、別の放射線放出を生成するために必要な余剰エネルギーがなくなります。このような安定同位体は、原子核が基底状態に到達していると言われます。

崩壊系列の段階またはステップは、前の段階または後続の段階との関係によって参照されます。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です。たとえば、元素番号 92 のウランには、中性子が 144 個 ( ²³⁶ U ) の同位体があり、これは元素番号 90 のトリウムの同位体で中性子が 142 個 ( ²³² Th ) に崩壊します。娘同位体は安定している場合もあれば、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 。232 Th^は、ラジウム 228に崩壊するときにこれを行います。228 Ra などの娘同位体は ^、孫同位体と呼ばれることもあります。

親同位体の原子が娘同位体に崩壊するのに必要な時間は、基本的に予測不可能であり、大きく異なります。個々の原子核では、このプロセスに決定的な原因があることは知られておらず、したがってそれが起こる時間は完全にランダムです。行うことができる唯一の予測は統計的であり、崩壊の平均速度を表します。この速度は、同位体に固有の崩壊定数( λ )を使用して、減衰指数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。これを理解すると、不安定な原子の初期集団の時間tにわたる放射性崩壊は、 e ^{− λt}で示さ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 つである半減期が明らかになります。これは、一定数の放射性原子の半分が崩壊するのに必要な時間を指し、同位体の崩壊定数λと反比例します。半減期は多くの放射性核種について実験室で測定されており、ほぼ瞬時に崩壊するもの(水素 5 は光子が原子核の端から端まで移動するのにかかる時間よりも短い) から、宇宙の年齢よりも 14桁長いもの(テルル 128 の半減期は 128 です) まであります。2.2 × 10 ²⁴ 年。

ベイトマン方程式は、ある崩壊系列が十分長く進行し、その娘核種の一部が系列の安定な（すなわち非放射性の）末端に到達したら、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する。数十億年かかることもあるこの状態に達した崩壊系列は、平衡状態にあると言われる。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通過するにつれて、一定かつ着実に減少する量の放射能を生成する。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、崩壊系列がその存在の唯一の原因である場合に存在する量よりも多くの放射性同位体が存在する場合、そのサンプルは平衡状態ではないと言われる。この不平衡の直観に反する結果として、濃縮物質のサンプルは、親核種よりも放射能の高い娘核種が蓄積するにつれて、放射能が時々増加することがある。濃縮ウランと劣化ウランの両方がこの現象の例である。

化学元素は2つの段階で誕生した。最初の段階はビッグバンの直後に始まった。宇宙が始まってから10秒から20分後、軽い原子の最初の凝縮によって4つの最も軽い元素が作られた。この原始的な生成の大部分は、水素の最も軽い同位体3つ（陽子、重水素、三重水素）と、ヘリウムの既知の9つの同位体のうち2つ（ヘリウム3とヘリウム4）で構成されていた。微量のリチウム7とベリリウム7も生成されたと思われる。

知られている限り、より重い元素はすべて、約 1 億年後、最初の恒星の誕生とともに始まった元素合成の第二段階で生成し始めました。^[1]恒星の進化の原動力となる原子核は、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、恒星の中心核で起こる中性子捕獲のr過程とs 過程は、鉄とニッケル(原子番号 26 と 28)までのすべての元素を生み出したと考えられています。超新星爆発に伴う極端な条件は、酸素とルビジウム(原子番号 8 から 37)の間にある元素を生み出す可能性があります。安定同位体のないもの (原子番号が鉛の 82 より大きいすべての元素) を含むより重い元素の生成は、中性子星の合体中に放出される自由中性子の膨大な濃度の中で行われる r 過程元素合成に依存しているようです。

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、遅くとも約 45 億年前に地球が原始惑星系円盤から凝縮した頃には、このようなプロセスによって形成されていました。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 1 つを進むにつれて放射性崩壊して生じた元素であり、各崩壊系列は、存在が知られている 251 の安定同位体のいずれかの生成で終了します。宇宙または恒星の元素合成および崩壊系列を除けば、化学元素を生成する唯一の他の方法は、原子兵器、原子炉 (天然または人工)、または粒子加速器を使用して原子核を原子ごとに組み立てる面倒な作業に依存しています。

不安定同位体は、一定の割合で娘核生成物（さらに不安定になる場合もある）に崩壊し、最終的には、多くの場合、一連の崩壊の後に、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、軽い元素は一般に、重い元素よりも原子核内の中性子と陽子の比率が低くなります。ヘリウム 4などの軽い元素は、中性子と陽子の比率が 1:1 に近くなります。ウランなどの最も重い元素は、陽子あたりの中性子の数が 1.5 個近くなります（例えば、ウラン 238では 1.587 個）。鉛 208 より重い核種は安定しません。これらの重い元素は、主にアルファ崩壊によって質量を失って安定を達成する必要があります。中性子と陽子の比（n/p）が高い同位体が崩壊する他の一般的な方法はベータ崩壊であり、核種は同じ質量数を維持しながらn/p比を下げながら元素のアイデンティティーを変える。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、安定同位体に向かって移動する。しかし、核分裂ではほぼ常に中性子が重い生成物が生成されるため、電子放出に比べて陽電子放出や電子捕獲はまれである。約207までの個別の重量とそれを超えるいくつかの重量に対して、少なくとも2つ（重いベータ崩壊と軽い陽電子崩壊）の比較的短いベータ崩壊連鎖が多数存在するが、より質量の大きい元素（鉛より重い同位体）の場合は、すべての崩壊連鎖を網羅する経路は4つしかない。^[要出典]これは、崩壊の主な方法が 2 つしかないためです。アルファ線は質量を 4原子質量単位(amu) 減らし、ベータ線は質量数を変えません (原子番号と p/n 比のみ)。4 つの経路は 4n、4n + 1、4n + 2、4n + 3 と呼ばれます。原子質量を 4 で割った余りが、同位体が崩壊するために使用する連鎖になります。他の崩壊モードもありますが、アルファ崩壊やベータ崩壊よりも必ず発生する確率が低くなります。 （これらの鎖に分岐がないと考えるべきではありません。下の図は鎖の分岐をいくつか示していますが、実際にはもっと多くの分岐があります。これは、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可能性があるためです。）たとえば、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への6回のアルファ崩壊を経て^{[2] 、続いて}フェルミウム254への電子捕獲（ベータ崩壊の一種）を経て^[2]、そしてカリホルニウム250への7回目のアルファ崩壊を経て^[2]この論文で述べたように、4n + 2 系列（ラジウム系列）をたどることになります。しかし、合成された最も重い超重核種は、連鎖を終わらせるいくつかのアルファ崩壊の後に自発的に核分裂する核種に達するため、4 つの崩壊系列には達しません。これは、合成されたニホニウム 278 の最初の 2 つの原子に起こったことであり、^{[3] [4]}、生成されたすべてのより重い核種でも同様です。

これらの連鎖のうち 3 つは、上部近くに長寿命の同位体 (または核種) を持っています。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でボトルネックとなり、その下にある連鎖を流れによって「生きたまま」保ちます。3 つの長寿命の核種は、ウラン 238 (半減期 45 億年)、ウラン 235 (半減期 7 億年)、トリウム 232 (半減期 140 億年) です。4 番目の連鎖には、上部近くにこのような長寿命のボトルネック核種がないため、その連鎖の核種のほとんどすべてが、終点直前のビスマス 209 までずっと前に崩壊しています。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わかりました。^[5]これは、安定したタリウム205の前の連鎖の最後のステップです。このボトルネックは非常に長寿命であるため、最終崩壊生成物はごく少量しか生成されず、ほとんどの場合、ビスマス209が最終崩壊生成物となります。

はるか昔、太陽系の歴史の最初の数百万年間には、不安定な高質量核種の種類がより多く存在し、4つの連鎖はより長くなっていました。これは、それらの核種がその後崩壊して消滅したためです。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、それぞれ 4n、4n+1、および 4n+3 連鎖の上位でそれほど大きなボトルネックにはならなかったでしょう。^{[6] (4n+2 連鎖の238} Uより上に半減期が 100 万年を超える核種はありません。) 今日、これらの以前は消滅した同位体の一部は、製造されたため再び存在しています。そのため、それらは再び連鎖内の位置を占めています。核兵器に使用されるプルトニウム 239 は主要な例であり、半減期 24,500 年でアルファ放出によってウラン 235 に崩壊します。また、ネプツニウム237の大量生産も行われ、これまで消滅していた第4系列が復活しました。^{[7]以下の表は、}カリホルニウムの同位体で質量数が249から252までの4つの崩壊系列を開始しています。

これらの 4 つのチェーンは、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ます)、および異性体遷移です。これらの崩壊プロセスのうち、アルファ崩壊 (ヘリウム 4原子核の核分裂)のみが原子核の原子質量数 ( A ) を変化させ、常に 4 減少します。このため、ほとんどすべての崩壊で、原子質量数が 4 を法として同じ残基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ます。考えられるすべての崩壊系列のメンバーは、これらのクラスのいずれかから完全に抽出される必要があります。

自然界には 3 つの主な崩壊系列 (またはファミリー) が観測されています。これらは一般にトリウム系列、ラジウムまたはウラン系列、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 つを表し、3 つの異なる鉛の安定同位体で終わります。これらの系列のすべての同位体の質量数は、それぞれA  = 4 n、A  = 4 n  + 2、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であるそれぞれトリウム 232、ウラン 238、ウラン 235 は、1940 年代以降に作成された人工同位体とその崩壊を無視して、地球の形成以来存在しています。

最初の同位体であるネプツニウム237の半減期が比較的短い（214万年）ため、 A  = 4 n + 1のネプツニウム系列の4番目の系列は 、最終律速段階であるビスマス209の崩壊を除いて、自然界ではすでに消滅している。しかし、ウラン鉱石の中性子捕獲の結果として、²³⁷ Npとその崩壊生成物の痕跡は自然界に存在する。 ^[8]この系列の最後の同位体は現在、タリウム205であることがわかっている。いくつかの古い情報源では、最後の同位体はビスマス209であるとされているが、2003年に、半減期が100万年で、非常にわずかに放射性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の非超ウラン崩壊系列もあり、例えばマグネシウム 28や塩素 39などがある。地球上では、1945 年以前のこれらの系列の開始同位体のほとんどは宇宙放射線によって生成された。1945 年以降、核兵器のテストと使用によっても、多数の放射性核分裂生成物が放出されている。そのような同位体のほとんどは、β ⁻または β ⁺崩壊モードで崩壊し、原子質量を変えることなく、ある元素から別の元素に変化する。これらの後者の娘生成物は安定に近いため、最終的に安定状態に崩壊するまでの半減期が一般的に長くなる。

以下の 4 つの表では、崩壊のマイナーな分岐 (分岐確率が 0.0001% 未満) は省略されています。エネルギー放出には、元の原子核が静止していたと仮定して、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) と反跳原子核の全運動エネルギーが含まれます。文字「a」は 1 年を表します (ラテン語のannusから)。

以下の表（ネプツニウムを除く）には、天然核種の歴史的な名前も記載されています。これらの名前は、崩壊系列が最初に発見され、調査されたときに使用されました。これらの歴史的な名前から、核種が属する特定の系列を特定し、それを現在の名前に置き換えることができます。

以下に示す 3 つの自然発生的なアクチニド アルファ崩壊系列 (トリウム、ウラン/ラジウム (ウラン 238 から)、アクチニウム (ウラン 235 から)) は、それぞれ固有の鉛同位体 (それぞれ鉛 208、鉛 206、鉛 207) で終わります。これらの同位体はすべて安定しており、自然界にも原始核種として存在しますが、鉛 204 (原始起源のみ) と比較して過剰量であるため、ウラン鉛年代測定法を使用して岩石の年代を測定することができます。

トリウム 232 の 4n 系列は、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。天然に存在するトリウム 232 から始まり、この系列には、 アクチニウム、ビスマス、鉛、ポロニウム、ラジウム、ラドン、タリウムの各元素が含まれます。これらはすべて、金属、化合物、鉱物を問わず、天然のトリウム含有サンプルに少なくとも一時的に存在します。この系列は鉛 208 で終わります。

プルトニウム244（この連鎖を超ウラン元素まで拡張すると、トリウム232より数段階上に現れる）は初期の太陽系に存在しており、^[6]非常に長寿命であるため、現在でも微量に残っているはずであるが、^[15]検出されたかどうかは不明である。^[16]

ニュートリノに失われたエネルギーを含め、トリウム 232 から鉛 208 に放出される総エネルギーは 42.6 MeV です。

ネプツニウム 237 の 4n + 1 系列は、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」と呼ばれます。この系列では、関係する同位体のうち、最後の 2 つであるビスマス 209 とタリウム 205 のみが大量に自然界で発見されています。その他の同位体の一部は、原始²³⁸ Uの(n,2n)ノックアウト反応によって生成された微量の^{237 Np に由来し、自然界で検出されています。 [8]}アメリシウム 241電離箱を含む煙探知器は、アメリシウムが崩壊するにつれて、大量のネプツニウム237 を蓄積します。この崩壊系列には、ネプツニウムの崩壊生成物として、少なくとも一時的には、以下の元素も含まれています：アクチニウム、アスタチン、ビスマス、フランシウム、鉛、ポロニウム、プロトアクチニウム、ラジウム、ラドン、タリウム、トリウム、ウラン。この系列は 1947 年から 1948 年にかけて発見され研究されただけなので、 ^[21]その核種には歴史的な名前がありません。この崩壊系列のユニークな特徴の 1 つは、希ガスのラドンが、主な崩壊系列ではなく、まれな分岐 ​​(図には示されていません) でのみ生成されることです。そのため、この崩壊系列からのラドンは、他の 3 つの崩壊系列ほど岩石中を移動しません。この崩壊系列のもう 1 つのユニークな特徴は、鉛ではなくタリウム (実際にはビスマス) で終わることです。

カリホルニウム249からタリウム205に放出される総エネルギーは、ニュートリノに失われたエネルギーを含めて66.8 MeVです。

ウラン 238 の 4n+2 系列は、「ウラン系列」または「ラジウム系列」と呼ばれます。天然に存在するウラン 238 から始まり、この系列には、アスタチン、ビスマス、鉛、水銀、ポロニウム、プロトアクチニウム、ラジウム、ラドン、タリウム、トリウムの元素が含まれます。これらすべては、金属、化合物、鉱物を問わず、天然のウラン含有サンプルに少なくとも一時的に存在します。この系列は鉛 206 で終わります。

ニュートリノに失われたエネルギーを含め、ウラン 238 から鉛 206 に放出される総エネルギーは 51.7 MeV です。

ウラン 235の 4n+3 系列は、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」と呼ばれます。天然に存在する同位体ウラン 235 から始まるこの崩壊系列には、アクチニウム、アスタチン、ビスマス、フランシウム、鉛、ポロニウム、プロトアクチニウム、ラジウム、ラドン、タリウム、トリウムの各元素が含まれます。金属、化合物、鉱石、鉱物を問わず、ウラン 235 を含むあらゆるサンプルには、これらすべてが少なくとも一時的に存在します。この系列は、安定同位体鉛 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。これは今日では235} U/ ²³⁸ U比の変化として現れています。これはキュリウムとウランの化学的性質が著しく異なり、分離の仕方も異なるためです。^{[6] [24]}

ニュートリノに失われたエネルギーを含め、ウラン 235 から鉛 207 に放出される総エネルギーは 46.4 MeV です。

• 原子核物理学
• 放射性崩壊
• 安定の谷
• 崩壊生成物
• 放射性同位元素（放射性核種）
• 放射年代測定

• CM Lederer、JM Hollander、I. Perlman (1968)。同位体表（第6版）。ニューヨーク：John Wiley & Sons。

ウィキメディア・コモンズには、崩壊連鎖に関連するメディアがあります。

• Nucleonica 核科学ポータル
• 専門的なオンライン崩壊計算のための Nucleonica の崩壊エンジン
• EPA – 放射性崩壊
• 同位体と崩壊エネルギーをリストアップした政府のウェブサイト
• 国立核データセンター – 崩壊系列の確認や構築に使用できる無料で利用できるデータベース
• IAEA – 核種のライブチャート（崩壊連鎖付き）
• 崩壊連鎖ファインダー