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数学好き必見!α崩壊の方程式

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本記事は、What is Alpha Decay? Definition | Equation | Example
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約5分4秒

アーネスト・ラザフォードという名前の英国の物理学者は、1899年に初めてアルファ粒子について説明しました。彼はまた、アルファ線とベータ線を区別して名前を付けました。しかし、ジョージ・ガモフが量子トンネリングを使用してアルファ崩壊の理論を解決したのは1928年のことでした。

 

この概要記事では、アルファ崩壊が発生する理由、プロセスで実際に発生すること、その主な原因、およびそれが悪影響を与えるかどうかについて説明しました。しかし、基本から始めましょう。

 

アルファ崩壊とは?

定義: アルファ崩壊(α崩壊とも呼ばれる)は、不安定な原子核がアルファ粒子を自発的に放出することによって過剰なエネルギーを放散する3種類の放射性崩壊(他はベータ崩壊とガンマ崩壊)の1つです。

 

アルファ粒子には4単位の質量と2つの正電荷が含まれているため、核からの放出により、質量が4単位少なく、原子番号が2単位少ない(親核より)娘核が生成されます。

 

放出されたアルファ粒子は、2つの中性子と2つの陽子を含むヘリウム原子核と同じです。また、質量は4u、電荷は+2eです。ヘリウム核のシンボルは、He2+ 、又は時にはそれは次のように書かれている42He2+ 

 

方程式

原子核物理学では、アルファ崩壊の公式または方程式は次のように書くことができます。

よって、

 

・ABX 親核

・A-4B-2X’ は娘核

・42He 放出されたヘリウム核またはアルファ粒子

 

核方程式では、アルファ粒子は通常、電荷を考慮せずに表示されます(ただし、電荷+ 2eが含まれています)。

 

 

この種の核変換の最も一般的な例は、ウランの崩壊です。ウラン238(自然界に見られる最も一般的なウランの同位体)は崩壊してトリウム234を形成します。

 

23892Ur  →  23490Th  +  42He

 

よって、

 

・23892Ur は不安定なウラン238の親核

・23490Th がトリウム-234娘核

・42He は アルファ粒子が排出

 

ご覧のとおり、下付き文字(質量と原子番号)の合計は、方程式の両側で同じままです。

同様に、トリウムはラジウムになります

23290Th  →  22888Ra  +  42He

ネプツニウムはプロトアクチニウムになります

23793Np  →  23391Pa  +  42He

プラチナはオスミウムになります

17578Pt  →  17176Os  +  42He

ガドリニウムがサマリウムになります

14964Gd  →  14562Sm  +  42He

 

要約すると、アルファ崩壊では3つのことが起こります。

1.重い(親)核は2つの部分に分かれます。

2.アルファ粒子は宇宙に放出されます。

3.残された(娘)原子核の質量数は4減少し、原子番号は2減少します。

 

アルファ崩壊が発生するのはなぜですか?

アルファ崩壊では、核力(短距離)と電磁力(長距離)の2つの基本的な相互作用が主要な役割を果たします。引力のある核力(中性子間で作用する)の強さは、反発する電磁力(陽子間で作用する)よりもはるかに大きい。したがって、核力は原子核を一緒に保持します。

 

しかし、破壊的な電磁力の合計が核力に打ち勝つと、原子核は2つ以上の部分に分裂します。研究によると、209個を超える核子を含む原子核は非常に大きいため、陽子間の電磁反発力が、それを保持している引力の核力を打ち負かすことがよくあります。

 

これは、核力の強さが1フェムトメートルを超えて急速に低下するのに対し、電磁力は長距離でも同じ強さを維持するために発生します。

 

古典物理学では、アルファ粒子が核内の強い核力から逃れることはできません。しかし、量子力学では、核力に打ち勝つための十分なエネルギーがない場合でも、アルファ粒子は量子トンネリングを介して逃げることができます。

 

アルファ崩壊の主な原因

アルファ粒子は主に、トリウム、ウラン、ラジウム、アクチニウムなどの重い原子(原子番号> 106)から放出されます。実際、地球上で生成されるヘリウムのほぼ99%は、トリウムまたはウランからなる地下鉱物のアルファ崩壊に由来しています。

 

地球の大気圏外から発生する宇宙線にもアルファ粒子が含まれています。宇宙線の原子核の約90%は水素(陽子)、9%はヘリウム(アルファ粒子)、1%はHZEイオンです。割合は宇宙線のエネルギー範囲によって異なります。

 

一部の人工同位体はアルファ粒子を放出します。たとえば、キュ​​リウム、アメリシウム、プルトニウムの放射性同位元素です。それらは、異なるウラン同位体による中性子の吸収を通じて原子炉で生成されます。

 

高エネルギーヘリウム原子核は、シンクロトロンやサイクロトロンなどの粒子加速器によって人工的に作成することもできます。ただし、それらは一般にアルファ粒子とは呼ばれません。

 

それは危険ですか?

通常、放出されたアルファ粒子の運動エネルギーは5 MegaElectronVoltであり、光速のほぼ5パーセントで移動します。+ 2eの電荷を帯びており、質量が大きいため、他の原子と容易に相互作用してエネルギーを失う可能性があります。

 

アルファ崩壊は高度に電離する粒子放射線ですが、侵入深さは浅いです。アルファ粒子の前進運動は、一枚の紙、厚い空気の層、または人間の皮膚の外層によって止めることができます。

 

アルファ、ベータ、ガンマ粒子の浸透レベル

 

発生源を吸入、摂取、または注射しない限り、生命に危険はありません。アルファ粒子を崩壊させる放射性物質が体内に入ると、ガンマ線の20倍の危険性があります。大量の線量は放射線中毒を引き起こす可能性があります。強力なアルファ放射体であるポロニウム210は、膀胱がんと肺がんで重要な役割を果たします。

 

アルファ粒子は人間の皮膚に浸透することはできませんが、角膜に害を及ぼす可能性があります。一部のアルファ線源にはベータ線放出核も付随しており、ベータ線放出核にはガンマ光子放出が伴います。

 

ラドンは、公共の放射線量に最も貢献している人の1人です。吸入すると、その粒子の一部が肺の内層に付着し、最終的に肺組織の細胞に損傷を与えます。

 

アプリケーション

煙探知器の動作原理

 

アルファ粒子の放射性源は煙探知器で使用されます。たとえば、アメリシウム241は、検出器内の空気をイオン化するアルファ粒子を放出します。煙が機器に入ると、煙が放射線を吸収し、アラームをトリガーします。

 

ポロニウム210のアルファ粒子は、機器から静電気を除去するために使用されます。アルファは自由電子を引き付け、局所的な静電気の可能性を減らします。この技術は製紙工場で一般的です。

 

アルファ粒子X線分光法は、岩石や土壌の組成を決定するために使用されます。NASAは、火星探査ローバーでこのプロセスを使用して、赤い惑星のカータルデータ、気象データ、および水分活性を収集しました。

ペレット238のPuO 宇宙ミッションのためにRTGに使用されます。アルファ崩壊によって発生する熱のために、ペレットは真っ赤に光っています。引用:ウィキメディア

 

宇宙機関は、放射性同位元素熱電発電機(RTG)を使用して、ボイジャー1/2号やパイオニア10/11号などのさまざまな宇宙船や衛星に電力を供給しています。これらの発電機はプルトニウム238を使用して長持ちするバッテリーとして動作します。プルトニウム238はアルファ線を放出し、熱を発生させて電気に変換します。

 

科学者たちは現在、癌を治療するためにアルファ放出源の有害な性質を利用するために取り組んでいます。彼らは少量のアルファ粒子を腫瘍細胞に向けようとしています。これらの粒子は侵入深さが小さいため、周囲の健康な組織に影響を与えることなく、腫瘍の成長を停止するか、おそらく腫瘍を破壊する可能性があります。この種の治療は、非密封線源放射線療法として知られています。

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