ベータ崩壊

原子核物理学

放射性崩壊 核分裂反応 原子核融合

放射性崩壊 アルファ崩壊 ・ ベータ崩壊 ・ ガンマ崩壊 その他の崩壊 二重ベータ崩壊 ・ 二重電子捕獲 ・ 内部転換 ・ 核異性体転移 ・ クラスタ崩壊 ・ 自発核分裂 放出過程 中性子放出 ・ 陽電子放出 ・ 陽子放出 捕獲 電子捕獲 ・ 中性子捕獲 R ・ S ・ P ・ Rp 高エネルギー反応 核破砕反応 ・ 宇宙線による核破砕 ・ 光分解 元素合成 恒星内元素合成 ビッグバン原子核合成 宇宙の元素合成 科学者 ベクレル ・ ベーテ ・ キュリー ・ フェルミ ・ ラザフォード ・ バーバー

ベータ崩壊（ベータほうかい、beta decay）は、弱い相互作用によって起きる放射性壊変の一群を意味する。この中にはベータ粒子と反電子ニュートリノを放出するβ⁻崩壊（陰電子崩壊）、陽電子と電子ニュートリノを放出するβ⁺崩壊（陽電子崩壊）、軌道電子を原子核に取り込み電子ニュートリノを放出する電子捕獲、二重ベータ崩壊、二重電子捕獲 (double electron capture) が含まれる。

いずれのモードで崩壊しても、質量数は変化しない。つまり、ベータ崩壊は同重体を推移する現象である。

ベータ崩壊の各モード

各種ベータ崩壊のメカニズムを記す。

ここでは電子を $\mathrm{e}^{-}\,$、陽電子を $\mathrm{e}^{+}\,$、陽子を $\mathrm{p}\,$、中性子を $\mathrm{n}\,$、電子ニュートリノを $\nu_{\mathrm{e}}\,$、アップクォークを $\mathrm{u}\,$、ダウンクォークを $\mathrm{d}\,$、負電荷を持つWボソンを $\mathrm{W}^{-}\,$ と表記する。なお、反粒子は（例えば $\bar{\nu}_{\mathrm{e}}$ のように）アッパーバーであらわす。

β⁻崩壊

クォークレベルでのβ⁻崩壊

中性子が電子（ベータ粒子）と反電子ニュートリノを放出して陽子になる現象。単にベータ崩壊といった場合これを指す。一般的に、安定同位体よりも中性子の多い核種でβ⁻崩壊が発生する。

$\mathrm{n} \to \mathrm{p}^{+} + \mathrm{e}^{-} + \bar{\nu}_{\mathrm{e}}$

クォークのレベル（右図参照）では、次のように表される。

$\mathrm{d}^{(1/3)-} \to \mathrm{u}^{(2/3)+} + \mathrm{e}^{-} + \bar{\nu}_{\mathrm{e}}$

原子核内で起こった場合、原子番号が1つ大きい元素に変化する。

${}_{18}^{42}\mathrm{Ar} \to {}_{19}^{42}\mathrm{K}$、アルゴン42からカリウム42（半減期 32.9年）。

β⁺崩壊

詳細は「陽電子放出」を参照

陽子が陽電子（ベータ粒子）と電子ニュートリノを放出して中性子になる現象。陽電子崩壊とも呼ぶ。一般的に、安定同位体よりも中性子の少ない核種でβ⁺崩壊が発生する。

$\mathrm{p}^{+} \to \mathrm{n} + \mathrm{e}^{+} + \nu_{\mathrm{e}}$

クォークのレベルでは、次のように表される。

$\mathrm{u}^{(2/3)+} \to \mathrm{d}^{(1/3)-} + \mathrm{e}^{+} + \nu_{\mathrm{e}}$

原子核内で起こった場合、原子番号が一つ小さい元素に変化する。

${}_{\ 60}^{132} \mathrm{Nd} \to {}_{\ 59}^{132} \mathrm{Pr}$、ネオジム132からプラセオジム132（半減期 1.75分）。

電子捕獲

詳細は「電子捕獲」を参照

陽子が軌道上の電子を捕獲して中性子に換わり、電子ニュートリノと特性X線を放つ現象。ベータ粒子は放出しない。ε または EC (electron capture) と略される。書籍によって「軌道電子捕獲」と記述されることもある。

$\mathrm{p}^{+} + \mathrm{e}^{-} \to \mathrm{n} + \nu_{\mathrm{e}}$

原子番号が一つ小さい元素に変化する。崩壊のメカニズムは大きく異なるものの、原子番号が一つ小さい同重体となる結果だけを見れば、β⁺崩壊と電子捕獲は同じものといえる。

${}_{18}^{37} \mathrm{Ar} \to {}_{17}^{37} \mathrm{Cl}$、アルゴン37から塩素37（半減期 36日）

二重ベータ崩壊

詳細は「二重ベータ崩壊」を参照

ベータ崩壊が、ほぼ同時に二回起きる現象。一回のベータ崩壊が原子核の質量が増える変化であるため起こらず、ベータ崩壊が二回起きると質量が減る原子核に起きる。非常にまれにしか起きない現象であるため、半減期は非常に長い。

ニュートリノを放出する場合

単に、通常のβ⁻崩壊などが二重に起きる。

ニュートリノを放出しない場合

ニュートリノが粒子と反粒子が同じであるマヨラナ粒子である場合などに起きる現象。標準理論では起きない現象であり、2006年現在未検証である。この崩壊を観測することにより、ニュートリノの質量やスピンについての不明な点が解明できる可能性があるため、研究が進められている。なお、前述のマヨラナ粒子が関係するもの以外に、超対称性などが関係して起きる可能性も示されている。

ニュートリノがマヨラナ粒子である場合、例えば次のように二重ベータ崩壊が起きる可能性がある。

$\mathrm{n} \to \mathrm{p}^{+} + \mathrm{e}^{-} + \bar{\nu}_{\mathrm{e}}$（１つ目のベータ崩壊）

$\bar{\nu}_{\mathrm{e}} \to \nu_{\mathrm{e}}?$（反電子ニュートリノと電子ニュートリノは同一？）

$\mathrm{n} + \nu_{\mathrm{e}} \to \mathrm{p}^{+} + \mathrm{e}^{-}$（2つめのベータ崩壊）

結局、全体では次のようになるので、ニュートリノは放出されない。

$2\mathrm{n} \to 2\mathrm{p}^{+} + 2\mathrm{e}^{-}$

二重電子捕獲

詳細は「二重電子捕獲」を参照

この節は執筆中です。加筆、訂正して下さる協力者を求めています。

複数の崩壊モードを持つ核種

核種によっては二つ以上の崩壊モードを持つものがあり、特有の確率でいずれかのモードで崩壊する。 ここに記載した例はすべて陽子の数が奇数（原子番号が奇数）のものであり、一般的に陽子数と中性子数が共に偶数のほうが安定 であり、崩壊で複数の安定な原子核が存在するためである。

β⁻崩壊と電子捕獲

塩素36（半減期 30万1000年）

${}_{17}^{36} \mathrm{Cl} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{18}^{36} \mathrm{Ar}$

${}_{17}^{36} \mathrm{Cl} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{16}^{36} \mathrm{S}$

イリジウム192（半減期 73.83日）

${}_{\ 77}^{192} \mathrm{Ir} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{\ 78}^{192} \mathrm{Pt}$

${}_{\ 77}^{192} \mathrm{Ir} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{\ 76}^{192} \mathrm{Os}$

β⁺崩壊と電子捕獲

アルミニウム26（半減期 71万7000年）

${}_{13}^{26} \mathrm{Al} \,\overset{\beta^+}\longrightarrow\, {}_{12}^{26} \mathrm{Mg}$

${}_{13}^{26} \mathrm{Al} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{12}^{26} \mathrm{Mg}$

マンガン52（半減期 312.1年）

${}_{25}^{52} \mathrm{Mn} \,\overset{\beta^+}\longrightarrow\, {}_{24}^{52} \mathrm{Cr}$

${}_{25}^{52} \mathrm{Mn} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{24}^{52} \mathrm{Cr}$

β⁻崩壊とβ⁺崩壊と電子捕獲

カリウム40（半減期 12億7700万年）

${}_{19}^{40} \mathrm{K} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{20}^{40} \mathrm{Ca}$

${}_{19}^{40} \mathrm{K} \,\overset{\beta^+}\longrightarrow\, {}_{18}^{40} \mathrm{Ar}$

${}_{19}^{40} \mathrm{K} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{18}^{40} \mathrm{Ar}$

ヨウ素126（半減期 13日）

${}_{\ 53}^{126} \mathrm{I} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{\ 54}^{126} \mathrm{Xe}$

${}_{\ 53}^{126} \mathrm{I} \,\overset{\beta^+}\longrightarrow\, {}_{\ 52}^{126} \mathrm{Te}$

${}_{\ 53}^{126} \mathrm{I} \,\overset{\varepsilon}\longrightarrow\, {}_{\ 52}^{126} \mathrm{Te}$

α崩壊とβ⁻崩壊

ビスマス210（半減期 5.013日）

${}_{\ 83}^{210} \mathrm{Bi} \,\overset{\alpha}\longrightarrow\, {}_{\ 81}^{206} \mathrm{Tl}$

${}_{\ 83}^{210} \mathrm{Bi} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{\ 84}^{210} \mathrm{Po}$

アクチニウム227（半減期 21.77年）

${}_{\ 89}^{227} \mathrm{Ac} \,\overset{\alpha}\longrightarrow\, {}_{\ 87}^{223} \mathrm{Fr}$

${}_{\ 89}^{227} \mathrm{Ac} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{\ 90}^{227} \mathrm{Th}$

ベータ崩壊による壊変系列

ベータ崩壊後の原子核が不安定な場合、さらに崩壊を行うことになり、数種の同重体を経由する壊変系列を形成する。特に核分裂によって生じた核分裂生成物は、陽子数と中性子数との均衡を欠いており、両者の均衡を保てるところ(ベータ安定線)までベータ崩壊を繰り返す。r過程は魔法数を持った中性子過剰核が同様のことを起こすことで核種分布の山を作るという仮説により推定されている。

酸素20からフッ素20、さらにネオン20。

${}_{\ 8}^{20} \mathrm{O} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{\ 9}^{20} \mathrm{F} \,\overset{\beta^-}\longrightarrow\, {}_{10}^{20} \mathrm{Ne}$

関連項目

• 弱い相互作用
  • ウィークボソン
  • ニュートリノ
• アルファ崩壊
• ガンマ崩壊
• パリティ対称性の破れ
• CP対称性の破れ
• 核子
• 粒子線
• 陰極線
• パウリの排他原理
• フェルミ粒子
• スピン角運動量