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放射性崩壊と崩壊系列

放射性崩壊

放射性崩壊とは

原子番号が大きい原子核の中には不安定なものがあり たとえば ウラン\(\ce{^{238}_{92}U}\) や ラジウム\(\ce{^{226}_{88}Ra}\) などです 、それらは自然に放射線を放出して安定なものに変化します。放射性崩壊といいます。

α崩壊、β崩壊、γ崩壊

放射性崩壊にはα崩壊β崩壊γ崩壊の3種類があります。 この3種しかありません。放射線についてはα線、β線、γ線以外にもありましたが、放射性崩壊に関してはα崩壊、β崩壊、γ崩壊の3種だけです。(β崩壊の中にいくつか種類があったりはしますが。。)

α崩壊

α線を出しながら崩壊するのがα崩壊です。原子番号が大きい、つまり質量数が大きい不安定な原子核に起こります。α線というのはα粒子の流れのことです。α粒子というのは\(\ce{^{4}_{2}He}\)で表されるヘリウム原子核のことで、陽子2個と中性子2個から構成されています 陽子2個と中性子2個という組み合わせのヘリウム原子核は、結び付きがとても強固です。固まって行動しがちです。 。ということはα崩壊では原子核から陽子が2個減り(原子番号\(Z\)が2減り)、陽子と中性子の合計数が4個減る(質量数\(A\)が4減る)ということです。

核反応式 核反応を表す式です。化学反応を表す化学反応式と似ています。核反応式ではその左右で質量数\(A\)と原子番号\(Z\)の収支が合ってます。 を用いて例を挙げますと、

$$ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He} $$

 (ウラン238がα崩壊しトリウム234になる) αを用いて $$ \ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + \alpha} $$ と表現することもあります。

$$ \ce{^{226}_{88}Ra -> ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He} $$

 (ラジウム226がα崩壊しラドン222になる)

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が4減って \(^{}_{Z}{}\) が2減ってます

β崩壊

β線を出しながら崩壊するのがβ崩壊です。中性子が過剰で不安定な原子核に起こります。β線というのは電子の流れのことです。β崩壊では過剰な中性子が陽子に変化し、その過程で電子と反電子ニュートリノというものを放出します 中性子の質量が陽子よりわずかに大きいのはこのためです。
電子ニュートリノは電荷も持たず質量もほとんどありません。
電荷0の中性子が \(+e\) [C] の陽子に変化するのですから、\(-e\) [C] の電子が放出されるのは電気的な観点で納得できます。といいますか超乱暴なことをいうと陽子と電子が結びついたものが中性子です。
。電子を出しますが陽子と中性子の合計数は変わりません。中性子が1個減り、陽子が1個増えます(原子番号\(Z\)が1増え、質量数\(A\)は変わらない)。

中性子の変化を反応式で表しますと、

$$ \ce{n -> p + e- + \overline{\nu_{e}}} $$

β崩壊の例を挙げますと、

$$ \ce{^{3}_{1}H -> ^{3}_{2}He + e-} $$

 (水素3がβ崩壊しヘリウム3になる) 水素3は普通、三重水素といいます。
\(\overline{\nu_{e}}\) は影響がないので書きません。書いてもいいです。

$$ \ce{^{210}_{83}Bi -> ^{210}_{84}Po + e-} $$

 (ビスマス210がβ崩壊しポロニウム210になる)

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が変わらず \(^{}_{Z}{}\) が1増えてます

γ崩壊

α崩壊やβ崩壊によってできた原子核は高いエネルギーを持っていることが多く、余剰分を電磁波としてはき出します。この電磁波がγ線であり、この現象をγ崩壊といいます。原子番号\(Z\)も質量数\(A\)も変わりません。あまり崩壊感はありません。

崩壊系列

崩壊系列とは

放射性崩壊というものは一度で終わるものではなく、安定した原子核になるまで繰り返し起こります。原子核の核種ごとに次にどの核種に崩壊するか決まっていて、次々に起こる放射性崩壊のたどるルートを崩壊系列といいます。

上で説明したように放射性崩壊には3種類しかなく、
そのうち1種は質量数が4変化、原子番号が1変化、
もう1種は質量数が変わらず、原子番号が1変化、
残りの1種はどちらも変わらず、
で、これら3種をトータルで見たとき、質量数に関しては、変化しないか4変化する、のどちらかということになります。放射性崩壊では質量数の変化が 0 か 4 なのです。

というわけで崩壊系列は、質量数が \(\textcolor{#090}{4n}\)、\(\textcolor{#090}{4n+1}\)、\(\textcolor{#090}{4n+2}\)、\(\textcolor{#090}{4n+3}\)(\(n\)は整数)で表される4種の系列ができることになります。 ちょっとわかりにくいと思いますが、下のグラフを見てもらうと理解できると思います。
また、系列に属さない核種も存在します。高校物理ではあつかいません。

トリウム系列

質量数が \(\textcolor{#090}{4n}\) の崩壊系列をトリウム系列といいます。

\(\ce{^{232}_{90}Th}\)(トリウム232)から始まり \(\ce{^{228}_{88}Ra}\)(ラジウム228)、\(\ce{^{228}_{89}Ac}\)(アクチニウム228)へと続き、最後は \(\ce{^{208}_{82}Pb}\)(鉛208)で安定します。

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が \(\textcolor{#090}{4n}\) となっています。\(\ce{^{228}_{88}Ra}\) から \(\ce{^{228}_{89}Ac}\) へはβ崩壊になっています。

トリウムやウランなど崩壊系列のスタートとなる元素は宇宙の超新星爆発によって作られます。地球に存在しているものは地球形成前に作られたものです。

ネプツニウム系列

質量数が \(\textcolor{#090}{4n+1}\) の崩壊系列をネプツニウム系列といいます。

\(\ce{^{237}_{93}Np}\)(ネプツニウム237)から始まり \(\ce{^{233}_{91}Pa}\)(プロトアクチニウム233)、\(\ce{^{233}_{92}U}\)(ウラン233)へと続き、最後は \(\ce{^{205}_{81}Tl}\)(タリウム205)で安定します。

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が \(\textcolor{#090}{4n+1}\) となっています。

ネプツニウム系列の核種は半減期が短いため自然界にほとんど存在しません。半減期が長いビスマス209と最終核種のタリウム205は存在します。この2つ以外は人工放射性核種です。

ウラン系列

質量数が \(\textcolor{#090}{4n+2}\) の崩壊系列をウラン系列(あるいはラジウム系列)といいます。

\(\ce{^{238}_{92}U}\)(ウラン238)から始まり \(\ce{^{234}_{90}Th}\)(トリウム234)、\(\ce{^{234}_{91}Pa}\)(プロトアクチニウム234)へと続き、最後は \(\ce{^{206}_{82}Pb}\)(鉛206)で安定します。

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が \(\textcolor{#090}{4n+2}\) となっています。

アクチニウム系列

質量数が \(\textcolor{#090}{4n+3}\) の崩壊系列をアクチニウム系列といいます スタートはウランですが途中アクチニウム227を経ます(下のグラフ参照)

\(\ce{^{235}_{92}U}\)(ウラン235)から始まり \(\ce{^{231}_{90}Th}\)(トリウム231)、\(\ce{^{231}_{91}Pa}\)(プロトアクチニウム231)へと続き、最後は \(\ce{^{207}_{82}Pb}\)(鉛207)で安定します。

\(^{A}_{Z}{\large\rm{X}}\) の \(^{A}_{}{}\) が \(\textcolor{#090}{4n+3}\) となっています。

崩壊系列は4種ありますが、ゴールは鉛かタリウムです。

グラフで表す

横軸を\(Z\)、縦軸を\(A\)としてグラフで表します。

たとえば同じラドンでも、
\(\ce{^{222}_{86}Rn}\)(ラドン222)はウラン系列に、
\(\ce{^{220}_{86}Rn}\)(ラドン220)はトリウム系列に、
\(\ce{^{219}_{86}Rn}\)(ラドン219)はアクチニウム系列に属します。

(トリウム系列)

\(\ce{^{232}_{90}Th}\)(トリウム232)から始まり、α崩壊↙6回、β崩壊→4回を経て、最後の\(\ce{^{208}_{82}Pb}\)(鉛208)に至ります。
ルートは複数あります。いずれのルートであっても、
\(^{A}_{}{}\) が 4×6 減って \(^{}_{Z}{}\) が 2×6-1×4 減ってます。

(ネプツニウム系列)

\(\ce{^{237}_{93}Np}\)(ネプツニウム237)から始まり、α崩壊↙8回、β崩壊→4回を経て、最後の\(\ce{^{205}_{81}Tl}\)(タリウム205)に至ります。
\(^{A}_{}{}\) が 4×8 減って \(^{}_{Z}{}\) が 2×8-1×4 減ってます。

(ウラン系列)

\(\ce{^{238}_{92}U}\)(ウラン238)から始まり、α崩壊↙8回、β崩壊→6回を経て、最後の\(\ce{^{206}_{82}Pb}\)(鉛206)に至ります。
\(^{A}_{}{}\) が 4×8 減って \(^{}_{Z}{}\) が 2×8-1×6 減ってます。

(アクチニウム系列)

\(\ce{^{235}_{92}U}\)(ウラン235)から始まり、α崩壊↙7回、β崩壊→4回を経て、最後の\(\ce{^{207}_{82}Pb}\)(鉛207)に至ります。
\(^{A}_{}{}\) が 4×7 減って \(^{}_{Z}{}\) が 2×7-1×4 減ってます。