放射性崩壊

放射性崩壊は一部の化学元素に起こる。ほとんどの化学元素は安定である。化学元素は原子でできています。安定な元素は、原子がそのままです。化学反応でも、原子そのものは決して変わりません。

19世紀、アンリ・ベクレルが、化学元素の中には原子が変化するものがあることを発見した。1898年、マリー・キュリー夫妻はこの現象を「放射性崩壊」と名付けた。ベクレルとキュリー夫妻はこの発見により、1903年にノーベル物理学賞を受賞した。

放射性物質を表す記号として三つ葉マークが使われています。

例

ほとんどの炭素原子は、原子核に6個の陽子と6個の中性子を持っている。この炭素は炭素12s（陽子6個＋中性子6個＝12）と呼ばれる。その原子量は12である。炭素原子の中性子があと2個あれば、炭素14となる。炭素14は、6個の陽子と6個の電子が化学的性質を支配しているので、化学的には他の炭素と同じように作用する。実際、炭素14はすべての生き物の中に存在し、すべての植物と動物が炭素14を含んでいます。しかし、炭素14は放射性である。ベータ崩壊して、窒素14となります。炭素14は、自然界で私たちの周りにある少量のものでは、無害です。考古学では、このような炭素を利用して、木材やかつて生きていたものの年代を測定します。この方法は放射性炭素年代測定法(Radiocarbon dating)と呼ばれています。

異なる種類の崩壊

アーネスト・ラザフォードは、これらの粒子が物質を貫通するさまざまな方法があることを発見しました。彼は、アルファ崩壊とベータ崩壊と呼ばれる2つの異なる種類を発見した。1900年にポール・ビラードが3種類目の崩壊を発見した。ラザフォードは1903年にこれをガンマ崩壊と名付けた。

放射性炭素14から安定な窒素14への変化は、放射性崩壊です。これは原子がアルファ粒子を放出したときに起こります。アルファ粒子とは、電子または陽電子が原子核から離れるときのエネルギーパルスです。

その他の崩壊の種類は後に発見された。崩壊の種類によって生成される粒子の種類が異なるため、崩壊の種類は互いに異なっています。出発する放射性核種を親核、それが変化する核種を娘核と呼びます。放射性物質から発生する高エネルギーの粒子を放射線と呼びます。

これらの様々な崩壊は、「崩壊の連鎖」として順次起こることがあります。ある種の原子核が別の種に崩壊し、それがまた別の種に崩壊するというように、安定同位体になるまで崩壊が続き、連鎖が終わります。

減衰速度

この変化の速さは、元素ごとに異なります。放射性崩壊は偶然に支配されている。ある物質の原子の半分が変化するのにかかる平均的な時間を半減期という。その速度は、指数関数で与えられます。例えば、ヨウ素(¹³¹ I)の半減期は約8日である。プルトニウムのそれは、4時間（²⁴³ Pu）から8000万年（²⁴⁴ Pu）の間である。

核変換とエネルギー

放射性崩壊は、原子をその原子核の中で高いエネルギーを持つものから低いエネルギーを持つものへと変化させます。原子核のエネルギーの変化は、生成される粒子に与えられます。放射性崩壊によって放出されたエネルギーは、ガンマ線の電磁波（光の一種）、ベータ粒子、アルファ粒子として運ばれることがあります。いずれの場合も、原子核のエネルギー変化が持ち去られます。また、いずれの場合も、原子の陽子と電子の正負の電荷の総和は、変化の前後でゼロになる。

アルファ崩壊

アルファ崩壊の際、原子核はアルファ粒子を2963放出する。アルファ崩壊により、原子核は2つの陽子と2つの中性子を失います。アルファ崩壊により、原子は2つの陽子（と2つの電子）を失うので、別の元素に変化する。例えば、アメリシウムがアルファ崩壊を起こすと、ネプツニウムに変化する。ネプツニウムはアメリシウムより陽子が2個少ないからである。アルファ崩壊は通常、ウラン、トリウム、プルトニウム、ラジウムなど、最も重い元素で起こる。

アルファ粒子は数センチの空気も通さない。アルファ線源が人体の外にある場合は、人間の皮膚はアルファ粒子を通さないので、アルファ線は人間を傷つけません。アルファ線は、アルファ粒子（放射線）を出して崩壊する物質を含むほこりやガスを吸ったときなど、発生源が体の中にある場合は非常に有害です。

ベータ崩壊

ベータ崩壊には、ベータプラスとベータマイナスの2種類があります。

ベータ・マイナス崩壊では、原子核が負の電荷を持つ電子を出し、中性子が陽子に変化する。

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {displaystyle n^{0}}}rightarrow p^{+}+e^{-}+{{bar {nu }}_{e}}}. $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ .

どこ

n 0 {displaystyle n^{0}} $n^{0}$ is neutron

p + {displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ is proton

e - {displaystyle e^{-}} $e^{-}$ は電子です。

ν ¯ e {displaystyle {bar {}_nu }}_{e}} ${\bar {\nu }}_{e}$ is anti-neutrino

ベータ・マイナス崩壊は原子炉の中で起こる。

ベータプラス崩壊では、原子核が陽電子を放出し、陽子は中性子に変化する。

p + → n 0 + e + + ν e {displaystyle \ p^{+}}rightarrow n^{0}+e^{+}+{nu }_{e}}}. $\ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}$ .

どこ

p + {displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ is proton

n 0 {displaystyle n^{0}} $n^{0}$ is neutron

e + {displaystyle e^{+}} $e^{+}$ is positron

ν e {displaystyle {nu }_{e}} ${\nu }_{e}$ is neutrino

ベータ線プラス崩壊は、太陽の内部やある種の粒子加速器で起こる。

ガンマ崩壊

ガンマ崩壊は、原子核がガンマ線と呼ばれる高エネルギーのエネルギーパケットを生成するときに起こります。ガンマ線は電荷を持ちませんが、角運動量を持っています。ガンマ線は通常、他の崩壊の直後に原子核から放出されます。ガンマ線は、物質を透視したり、食品中の細菌を殺したり、ある種の病気を見つけたり、ある種の癌を治療したりするのに利用することができます。ガンマ線は電磁波の中で最も高いエネルギーを持っており、宇宙からのガンマ線バーストは、知られている中で最もエネルギーの高い放出である。