放射性崩壊

放射性崩壊（ほうしゃせいほうかい、radioactive decay）は、不安定な原子核（放射性同位体）が様々な相互作用によって状態を変化させる現象である。放射性壊変（ほうしゃせいかいへん）、放射壊変（ほうしゃかいへん）、原子核崩壊（げんしかくほうかい）、あるいは、単に崩壊とも呼ばれる。

放射性崩壊の種類 [編集]

これらの現象の詳細は、個別の記事を参照のこと。

アルファ崩壊: アルファ粒子を放出し、陽子2個・中性子2個を減じた核種に変わる。核分裂反応の1つとして認識されることもある（例:²²⁶Ra→²²²Rn）。トンネル効果が原因である。
ベータ崩壊: 質量数を変えることなく、陽子・中性子の変換が行われる反応の総称で、β^-崩壊（陰電子崩壊）、β⁺崩壊（陽電子崩壊）、電子捕獲、二重ベータ崩壊、二重電子捕獲が含まれる。弱い相互作用が原因である。
ガンマ崩壊: それぞれの崩壊を終えた直後の原子核には過剰なエネルギーが残存するため、電磁波（ガンマ線）を放つことにより安定化をしようとする反応である。電磁相互作用が原因である。
核分裂反応: 非常に重く不安定な核種では、その核が質量の小さな原子核に分裂し、巨大なエネルギーを放つとともに、より安定な核種へと変化する。例えば、²³⁵Uに中性子を衝突させると、⁹⁵Moと¹³⁹Laに分裂し、2つの中性子を放出し、欠損した質量分のエネルギーが発生する。
自発核分裂: 核分裂反応のうち、自由な中性子の照射を受けることなく起きる核分裂を指す。現象そのものは人為的な核分裂反応と変わらない。
核異性体転移: IT(Isometric Transition^[1]等の頭文字)と略される。原子番号と質量数ともに同じで、エネルギー準位が異なるような2つの核種を、核異性体であるという。例えば、⁹⁹Tcと^99mTcは互いに核異性体である。エネルギー準位が高いほうは記号mを付けて区別するのだが、こちらは準安定状態（メタステーブル）であり、余剰のエネルギーを放出して安定になろうとする。エネルギー準位が高いほうの核異性体がガンマ線を放出して、より安定な方の核異性体に変化することを、核異性体転移という。放出される放射線はガンマ線であり、原子核の原子番号と質量数はともに変化しない。

^99mTc → ⁹⁹Tc + γ (T_1/2=6.01h)

一部の核異性体転移では、ガンマ線が軌道電子にエネルギーを与えてはじき出す。これを内部転換という。電子がはじき出される点でベータ崩壊に似ているが、原子核は変化しておらず、自らの原子はイオン化される。

崩壊熱 [編集]

放射性物質は、核爆弾や原子力発電所の運転中の炉心のような中性子の照射を受けることで大量、または多量のエネルギーを放出する連鎖反応を伴わない場合でも、放射性崩壊によってそれ自身が勝手に核種などを変えてゆくため、その過程で放出される放射線のエネルギーが周囲の物質を加熱し、崩壊熱 (decay heat) となって現われる。時間当たりに放出される崩壊熱のエネルギーは不安定な物質であるほど大きく、その大きさは元の放射性物質がしだいに放射線を放って比較的安定である核種や安定核種へと変化するに従って減少する。例えば原子炉の炉心では発電のための核反応を停止しても、その1秒後で運転出力の約7%ほどの熱が新たに生じ、時間の0.2乗に比例して減少しながら1日後でも約0.6%の熱が放出される^[2]。

半減期 [編集]

核種ごとに一定時間内において崩壊する確率が異なっている。この確率は崩壊定数で与えられるが、これを計算することにより、または放射能の減衰を測定することにより半減期を知ることができる。同じ化学的元素（陽子数が同じ）であっても質量数の異なる同位体（中性子数が違う）ごとに半減期は異なる。たとえば、質量数238のウランの半減期は44億6800万年であるのに対して、質量数239のウランの半減期は23.5分である。たった1つ中性子の数が異なるだけで、これほど大きな違いが生じるのである。

極端に長い半減期を持つ核種が存在する。質量数115のインジウムの半減期は441兆年、質量数149のサマリウムでは2,000兆年である。質量数209のビスマスは、2003年まではもっとも重い放射能を持たない核種として知られていたが、これは1.9×10¹⁹（1,900京）年に及ぶ半減期の放射性核種であると認められた。これらの極端に長い半減期を持つ核種は学術上、放射性物質に分類されるが、実質的には安定したものと考えて差し支えない。

超ウラン元素の分野では、1秒に満たない半減期の核種が多数を占める。たとえば質量数266のマイトネリウムの半減期は0.0034秒、質量数267のダームスタチウムの半減期は0.0000031秒である。簡単に言うならば、あまりにも原子核が大きくなりすぎて、その結合を保っていられる期間がこの程度の長さしかないということである。

半減期の短い核種は、どんどん崩壊していき放射能を失っていくが、短時間に多量の放射線を放つため直接的な被曝の危険度が高い。半減期の長い核種は、少しずつしか放射線を放たないので一時的に被曝する放射線量は小さいが、いつまでも放射線を放ちつづけるため長期的な問題を抱えることになる。特にウランやプルトニウムなどは最終的に放射能のない鉛に到達するまでには約20回もの崩壊を経由せねばならず、全量が鉛となるまでの総時間は、現実的な思考の及ぶ範囲を超える長さである。放射性物質を平和的に用いようが、軍事的に用いようがこの問題はいっさい切り離すことができない。

特にかつては、半減期数万年の核種を何万年、何十万年も保管せねばならない事が原子力発電のネックであった。これは古典物理学と化学反応では放射性崩壊には関与できず、放射性物質の半減期を短くしたり、分解する事が一切不可能であるためであり、もし触媒などを用いて放射性崩壊を加速させられるならば、より短期間に放射線のエネルギーが取り出せると期待され、核分裂反応が発見される前の原子力はこの方向で開発が進められたが、このような試みは全て頓挫した^[3]。

しかし最近、長半減期物質を分離して、加速器駆動未臨界炉において中性子を照射することにより自然崩壊ではなく、核分裂させて短半減期核種に変換できる見通しが立てられた。これにより500年以下の保管で天然ウラン鉱石以下の放射線に低下させて廃棄/鉛やバリウムとして一般使用が可能になるとして開発がすすめられている。

出典 [編集]

^ グランドコンサイス和英辞典より
^ 社団法人電気学会編、『発電・変電改訂版』、オーム社、2000年6月30日第2版第1刷、ISBN 4886862233、206頁。
^ K・ホフマン著、山崎正勝・小長谷大介・栗原岳史訳　『オットー・ハーン―科学者の義務と責任とは―』、シュプリンガー・ジャパン、2006年、32-33頁。ISBN 4-431-71217-8

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