<大項目> 放射線利用
<中項目> 放射線利用の基礎
<小項目> 放射線の種類
<タイトル>
α壊変 (08-01-01-05)

<概要>
 原子核α粒子を放射して、原子番号が2、質量数が4だけ小さい別の種類の原子核に変わる過程をα壊変という。α粒子はヘリウムの原子核である。α壊変をする性質を持った原子核をα放射性核またはα放射体という。α放射体にはラジウム、ウラン、トリウム等、天然に存在するものの他に、カリホルニウムのように人工的に作りだされるものもある。
<更新年月>
2002年03月   (本データは原則として更新対象外とします。)

<本文>
1.α壊変
 α壊変は原子番号Z、質量数Aの原子核がα粒子を放出して原子番号Z-2、質量数A-4の原子核に変わる過程をいう。言いかえれば、陽子2個、中性子2個からできているα粒子が飛び出していったあとには、陽子が2個減って、原子番号が2だけ小さい原子核が残る。また、中性子も2個減るので質量数は合計で4だけ減少する。1909年ラザフォード(Ernest Rutherford)とロイズ(Thomas Royds)は、α粒子がヘリウム(4He)原子核であることを証明した。半減期はそれぞれの核種に特有で、短いものは214Po → 210Pbの1.64×10−4秒、長いものは238U → 234Thの4.47×10+9年など様々である。
2.α壊変のエネルギー
 α壊変が起こるために必要なエネルギーの条件は、

    Q=[MZ,N−(MZ-2,N-2+M2,2)]c2>0        (1)

である。ここで、MZ,N、MZ-2,N-2、M2,2は、親核、娘核、α粒子のそれぞれの質量数で、cは光の速度である。Qはこの壊変によって解放されるエネルギーで、壊変エネルギーといい、α粒子及び反跳された娘核の運動エネルギーの和、

    Q=(1/2)・M2,22+(1/2)・MZ-2,N-22     (2)

に等しい。ここで、vはα粒子の速度、Vは娘核種の速度である。下式の運動量保存則

    M2,2 v=MZ-2,N-2 V                    (3)

を用いて、(2)式を解けば、α粒子の運動エネルギーEαは、

    Eα=(1/2)・M2,22=Q/[1+M2,2/MZ-2,N-2]  (4)

で与えられる。
 α壊変をする核種の質量数MZ,Nは、一般にα粒子の質量数M2,2=4に比べて極めて大きいので、(4)式のM2,2/MZ-2,N-2<<1となり、Qは殆どα粒子の運動エネルギーに等しくなる。すなわち、α壊変の場合、α粒子のエネルギーは一定である(β壊変の場合には、電子ニュートリノが放射されるため、両粒子とも放出エネルギーは均一ではない)。 図1210Poから放射されるα粒子の飛跡をウイルソン(C.T.R,Wilson)の霧箱で撮影したものである。気体中の飛跡の長さがだいたい同じであるのはエネルギーが均一であることを示している。この距離のことを飛程という。α粒子の空気中の飛程(R cm)とエネルギー(Eα MeV)との間には、

    R=aEα3/2                      (5)

の関係がある。したがって、空気中の飛程がわかれば、α粒子のエネルギーを推定できる。また逆に、α粒子のエネルギーが測定できれば、その空気中での飛程がわかる。
 ある場合には、1種類のエネルギーのα粒子だけでなく、2種またはそれ以上の種類のエネルギーを持ったα粒子を放出する核種がある。 表1228Thの娘核212Biが208Tlにα壊変するときに放出されるα粒子のエネルギースペクトルを示したものである。これは娘核(212Bi)が直ちに基底状態(208Tl)に移らず、種々の励起状態に遷移し、そのエネルギー準位に対応したエネルギーを放出するためである。この場合Qがそれだけ小さくなり、α粒子のエネルギーも小さくなる。この時α壊変に続いてγ線の放射が起こる。放出されるγ線のエネルギーはQの小さくなった分に等しい。
3.飛程と壊変定数(ガイガー・ヌッタルの法則)
 212Poから放出されるα粒子の飛程は約8.6cm、232Thのそれは約2.8cmである。α壊変の半減期は、前者が3.04×10−7秒、後者が1.41×10+10年である。ガイガーとヌッタルは、α粒子の飛程が長いほどα壊変の半減期は短いという実験的事実に着目し、1911年に飛程(R)とと壊変定数(λ)に関する多くの測定値を整理し、次式の関係式を導いた。

    logλ=a・logR+b                   (6)

ここでaおよびbはと壊変系列によってきまる定数である。λはλ=(ln2)/Tなる式で半減期(T)と関係している。(6)式をガイガー・ヌッタル(Geiger-Nuttall)の法則という。
 飛程はα粒子のエネルギーが高いほど長い。したがって、α粒子のエネルギーが高いほど壊変定数が大きいといえる。これは大きいエネルギーを持ったα粒子は原子核から飛び出す力が大きいし、また核内での振動回数も多いので、核外に飛び出す機会が大きくなると解釈できる。
 α粒子が核の中から外へ出るには、Z>82の核については20MeV以上の高さのクーロン障壁を通らなければならない。このことはエネルギーが数MeVのα粒子にとっては、古典力学的には不可能であると考えられた。1928年、ガモフ(George Gamow)等は、障壁の中をα粒子がしみ出すいわゆるトンネル効果という概念を導入し、量子力学的取扱いによってこれを解釈した。
<図/表>
表1 α壊変により放出されるα粒子のエネルギースペクトルの例
図1 210Poより放出されるα粒子の飛跡のWilson霧箱による写真

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<関連タイトル>
半減期 (08-01-01-04)
β壊変 (08-01-01-06)

<参考文献>
(1) フェルミ著、小林稔等訳;原子核物理、物理学叢書、吉岡書店、(1966)
(2) 岩波 理化学事典(第4版)、岩波書店、(1987)
(3) 石森富太郎編;原子炉工学講座I,原子核工学基礎、培風館、(1972)
(4) 菊池正士他;原子核物理概論・中性子、共立出版、(1958)
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