崩壊系列

崩壊系列（ほうかいけいれつ、Decay chain、decay series^[1]^{[注釈 1]}）、または放射性系列(radioactive series^[3]）とは、原子物理学において、放射性崩壊によって生じる個々の放射性の崩壊生成物について、同じ核種をたどるものごとに一連の核種変換を系列としてまとめたものである。

概要

大多数の放射性元素は直接安定状態にまで崩壊することはなく、より安定な同位体にたどり着くまで一連の崩壊を順々に起こす。

崩壊段階は、それらの前段階と後段階の関係によって表される。親核種（おやかくしゅ、parent nuclide）は放射性崩壊を経て 娘核種（むすめかくしゅ、daughter nuclide）へと変化する。娘核種は安定であるか、さらにその娘核種へと崩壊を起こす。娘核種の娘核種は、しばしば孫核種（まごかくしゅ、granddaughter nuclide）とも呼ばれる。

ある親核種がその娘核種に崩壊するのに必要な時間には大きな開きがある。これは異なる親核種－娘核種で所要時間に差があるだけに限らず、同じ親核種－娘核種のペアであっても全原子がいっせいに崩壊するわけではなく崩壊には時間差がある。各原子の崩壊は独立に起こることから、最初に存在した原子数が時間経過によってどう減少するかは、経過時間 t によって、指数関数的に e^-λt と表現できる。ここで、λ は崩壊定数である。このような指数関数的な性質をあらわす特性値が半減期であり、特定の親核種が娘核種に崩壊して、親核種の個数が当初の半分になるまでの時間を表す。半減期は研究室において何千もの放射性同位体（放射性核種）について特定されており、ほとんど瞬時のものから長くては 10¹⁹ 年以上におよぶものもある。

中間段階はしばしば最初の放射性同位体よりも強い放射能をもつ。平衡状態に達したとき、孫核種はその半減期に比例して存在するが、その活性はその半減期と反比例することから、崩壊系列におけるいかなる核種も系列の最初の親核種と同じだけの放射能を持つ。例えば、自然のウランはさほど放射能が強いとはいえないが、瀝青ウラン鉱や閃ウラン鉱といったウラン鉱石は、13倍もの強い放射能を有する。これは、ラジウムやその他の娘核種が鉱石に含まれているからである。不安定でかなり強い放射源となるラジウム同位体に限らず、崩壊系列で次に発生する気体ラドンも放射源となる。このため、ラドンは自然界で発生する放射性ガスであり、非喫煙者に肺がんを起こしうる原因物となりうる。^[4]

崩壊の種類

4つの崩壊系列を示した図: トリウム(青色),ラジウム(赤色),アクチニウム(緑色),ネプツニウム(紫色)

放射性崩壊の主な崩壊モードは、アルファ崩壊、ベータ崩壊、核異性体転移(英:isomeric transition)、自発核分裂の4種類である。また、ベータ崩壊はさらにβ^-崩壊（陰電子崩壊）、β⁺崩壊（陽電子崩壊）、電子捕獲とに別けられる。これらの崩壊プロセスのうち、アルファ崩壊では核の質量数が常に4減少し、ベータ崩壊や核異性体転移では質量数が変化しない。このため、自発核分裂（人為的な核分裂も含む）を除く崩壊では質量数を4で割った余りが同じままとなり、この余りによって核種を4つの系列に分類することができる。これは、いかなる核種でもいずれかの系列に分類可能であることを意味する。

自然界で見られるものは、これら系列（ファミリー）のうち主に3種類であり、トリウム系列、ウラン系列（ラジウム系列）、アクチニウム系列と呼ばれる^[2]。これらは4つの系列のうちの3つであり、鉛の異なる3種類の安定同位体に至って崩壊を終える。各同位体の質量数は、それぞれ「4n」、「4n+2」、「4n+3」と表現できる。長寿命の開始同位体 ²³²Th, ²³⁸U および ²³⁵U の3核種は地球の形成時から存在し、²⁴⁴Pu 前駆体(precursor)も地球上にごく微量ながら見られてきた。^[5].

第4の系列は質量数が「4n+1」と表現されるネプツニウム系列であり^[2]、開始核種である ²³⁷Np が地球の年齢に比べてはるかに短寿命な同位体であることから、最後の律速段階を除いてはすでに消滅している系列である。

その他にも ¹⁴C のように、より短い系列が多く存在する。地球上では、それら開始同位体の多くが宇宙線によって生成され、人工的には原子力発電の副産物として生成されている。

アクチノイド・アルファ崩壊系列

トリウム系列

→詳細は「トリウム系列」を参照

トリウム232 から鉛208 に至る系列をトリウム系列という。質量数 4n の核種から成る。

ウラン系列 (ラジウム系列)

→詳細は「ウラン系列」を参照

ウラン238 からラジウム226 を経て鉛206 に至る系列をラジウム系列、またはウラン系列と呼ぶ。質量数 4n+2 の核種から成る。

アクチニウム系列

→詳細は「アクチニウム系列」を参照

ウラン235 からアクチニウム227 を経て鉛207 に至る系列をアクチニウム系列と呼ぶ。質量数 4n+3 の核種から成る。

アクチニウム崩壊系列

ネプツニウム系列

→詳細は「ネプツニウム系列」を参照

ネプツニウム237からビスマス209、タリウム205に至る系列をネプツニウム系列という。質量数 4n+1 の核種から成る。ビスマス209以前の核種は全て半減期が短いため、天然にはほとんど現存しない。

ベータ崩壊系列

原子核は重くなるほど安定であるために必要な中性子/陽子数比が大きくなり、核分裂反応を起こすような重い原子核は陽子に比べて中性子の比率がはるかに大きい。このため、核分裂により生成した核種は、その質量数で安定な状態に比べて中性子/陽子数比が高い状態にある。これらの核分裂生成核種は複数のベータ崩壊を連続して起こして中性子を陽子に変換してゆき、その質量数で安定な中性子/陽子数比へ近づいてゆく。最初の崩壊は比較的高い崩壊エネルギーと短い半減期を有するが、最後の崩壊では崩壊エネルギーが低くなったり半減期が長くなる。

例えば、ウラン235は 92個の陽子と143個の中性子を持っている。核分裂においては1つ中性子を取り込み、その後に2つまたは3つ以上の中性子を生成する。つまり、最大で92個の陽子と142個の中性子からなる2つの核種に核分裂する。生成される2つの核種の例としては質量数99（39個の陽子と60個の中性子）のイットリウム-99、および質量数135（53個の陽子と82個の中性子）のヨウ素-135 があげられる。この崩壊系列は、次のようになる。

核種	半減期
⁹⁹Y	1.470(7) 秒
⁹⁹Zr	2.1(1) 秒
⁹⁹Nb	15.0(2) 秒
⁹⁹Mo	2.7489(6) 日
⁹⁹Tc	2.111(12)E+5 年
⁹⁹Ru	安定

核種	半減期
¹³⁵I	6.57(2) 時間
¹³⁵Xe	9.14(2) 時間
¹³⁵Cs	2.3(3)E+6 年
¹³⁵Ba	安定

系列を構成しない天然放射性同位元素

宇宙線によって生成されている放射性核種を除いた、系列を構成しない天然放射性核種も存在する。これらは地球誕生時から存在し続けているが、新たに宇宙線の作用によって生成されることもある。これらの内、⁴⁰Kは経口摂取による体内被曝の大きな原因である。

参考としてそれら核種を表で示す。娘核種は安定である。

核種	半減期	娘核種	核種	半減期	娘核種
⁴⁰K	1.3×10⁹年	⁴⁰Ca(88.8%) ⁴⁰Ar(11.2%)	⁴⁸Ca	4.3×10¹⁹年	⁴⁸Ti
⁵⁰V	1.5×10¹⁷年	⁵⁰Ti(83%) ⁵⁰Cr(17%)	⁷⁶Ge	1.8×10²¹年	⁷⁶Se
⁸²Se	1.1×10²⁰年	⁸²Kr	⁷⁸Kr	2.3×10²⁰年	⁷⁸Se
⁸⁷Rb	4.8×10¹⁰年	⁸⁷Sr	⁹⁴Zr	1.1×10¹⁷年	⁹⁴Mo
⁹⁶Zr	2.0×10¹⁹年	⁹⁶Mo	¹⁰⁰Mo	7.8×10¹⁸年	¹⁰⁰Ru
¹¹³Cd	9.0×10¹⁵年	¹¹³In	¹¹⁵In	4.4×10¹⁴年	¹¹⁵Sn
¹¹⁶Cd	2.9×10¹⁹年	¹¹⁶Sn	¹²⁰Te	2.2×10¹⁶年	¹²⁰Sn
¹²³Te	1.3×10¹³年	¹²³Sb	¹²⁸Te	2.2×10²⁴年	¹²⁸Xe
¹³⁰Te	7.9×10²⁰年	¹³⁰Xe	¹³⁸La	1.3×10¹¹年	¹³⁸Ba(65.6%) ¹³⁸Ce(34.4%)
¹⁴⁷Sm	1.1×10¹¹年	¹⁴³Nd	¹⁴⁹Sm	2.0×10¹⁵年	¹⁴⁵Nd
¹⁵⁰Nd	6.7×10¹⁸年	¹⁵⁰Sm	¹⁶⁰Gd	1.3×10²¹年	¹⁶⁰Dy
¹⁷⁴Hf	2.0×10¹⁵年	¹⁷⁰Yb	¹⁷⁶Lu	3.8×10¹⁰年	¹⁷⁶Hf
¹⁸⁰W	1.8×10¹⁸年	¹⁷⁶Hf	¹⁸⁶Os	2.0×10¹⁵年	¹⁸²W
¹⁸⁷Re	5.0×10¹⁰年	¹⁸⁷Os(100%) ¹⁸³Ta(<0.001%)	¹⁹⁰Pt	6.0×10¹¹年	¹⁸⁶Os
²⁰⁴Pb	1.4×10¹⁷年	²⁰⁰Hg

以下の天然放射性核種はアルファ崩壊系列を成す。

核種	半減期
¹⁵⁶Dy	1.0×10¹⁸年
¹⁵²Gd	1.1×10¹⁴年
¹⁴⁸Sm	7.0×10¹⁵年
¹⁴⁴Nd	2.4×10¹⁵年
¹⁴⁰Ce	安定

脚注

[脚注の使い方]

注釈

^ 他にも英語ではtransformation series、radioactive chain、radioactive decay chain、decay [disintegration] chain [series]などともいう^[2]。

出典

^ 理化学英和 1998, 項目「decay series」.
^ ^a ^b ^c 理化学英和 1998.
^ 理化学英和 1998, 項目「radioactive series」.
^ Radon: The Health Hazard with a Simple Solution
^ D.C . Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewheter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature, Nr. 34, 1971, pp. 132–134

参考文献

C.M. Lederer, J.M. Hollander, I. Perlman, Table of Isotopes, 6th ed., Wiley & Sons, New York 1968
多田順一郎『わかりやすい放射線物理学』オーム社 1997.12.20 ISBN 4-274-13123-8
小田稔ほか編編『理化学英和辞典』研究社、1998年。ISBN 978-4-7674-3456-8。

外部リンク

壊変系列図、主な放射性核種の半減期 (18-03-01-01) - 原子力百科事典ATOMICA
Government website listing isotopes and decay energies

[3] 他にも英語ではtransformation series、radioactive chain、radioactive decay chain、decay [disintegration] chain [series]などともいう^[2]。

[FOOTNOTE理化学英和1998項目「decay_series」-1] 理化学英和 1998, 項目「decay series」.

[FOOTNOTE理化学英和1998-2] 理化学英和 1998.

[FOOTNOTE理化学英和1998項目「radioactive_series」-4] 理化学英和 1998, 項目「radioactive series」.

[5] Radon: The Health Hazard with a Simple Solution

[6] D.C . Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewheter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature, Nr. 34, 1971, pp. 132–134

[1]

[注釈 1]

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[4]

[2]

[5]