ベータ崩壊

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ベータ崩壊（べーたほうかい、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（double beta decay）、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。

目次 1 ベータ崩壊の各モード 1.1 β-崩壊 1.2 β+崩壊 1.3 電子捕獲 1.4 二重ベータ崩壊 1.4.1 ニュートリノを放出する場合 1.4.2 ニュートリノを放出しない場合 1.5 二重電子捕獲 2 複数の崩壊モードを持つ核種 2.1 β-崩壊と電子捕獲 2.2 β+ 崩壊と電子捕獲 2.3 β-崩壊とβ+崩壊と電子捕獲 2.4 α崩壊とβ-崩壊 3 ベータ崩壊による壊変系列 4 関連項目

[編集] 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<math>\,{e^-}</math>、陽電子を<math>\,{e^+}</math>、陽子を<math>\, p</math>、中性子を<math>\, n</math>、電子ニュートリノを<math>\, \nu_e</math>、アップクォークを<math>\, u</math>、ダウンクォークを<math>\, d</math>、ウィークボソンを<math>\, W^-</math>と表記する。なお、反粒子はアッパーバーであらわす。

[編集] 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。

<math>n \rightarrow p + {e^-} + \bar{\nu_e}</math>

クォークのレベル（右図参照）では、次のように表される。

<math>d \rightarrow u + {e^-} + \bar{\nu_e}</math>

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。

⁴²Ar（原子番号18） → ⁴²K（原子番号19）、（半減期 32.9年）

[編集] β⁺崩壊

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。

<math>p \rightarrow n + {e^+} + \nu_e</math>

クォークのレベルでは、次のように表される。

<math>u \rightarrow d + {e^+} + \nu_e</math>

原子核内で起こった場合、原子番号が1つ小さい元素に変化する。

¹³²Nd（原子番号60） → ¹³²Pr（原子番号59）、（半減期 1.75分）

[編集] 電子捕獲

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(Electeron Caputure)と略される。

<math>p + {e^-} \rightarrow n + \nu_e</math>

原子番号が1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1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。

³⁷Ar（原子番号18） → ³⁷Cl （原子番号17）、（半減期 36日）

[編集] 二重ベータ崩壊

ベータ崩壊が、ほぼ同時に2回起きる現象。1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きなく、ベータ崩壊が2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。

[編集] 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。

[編集] 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ナラ粒子である場合、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。

<math>n \rightarrow p + {e^-} + \bar{\nu_e}</math>（1つめのベータ崩壊）

<math>\bar{\nu_e} \rightarrow ? \nu_e</math>（反電子ニュートリノと電子ニュートリノは同一?）

<math>n + \nu_e \rightarrow p + {e^-}</math>（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。

<math>2n \rightarrow 2p + 2{e^-}</math>

[編集] 二重電子捕獲

[編集] 複数の崩壊モードを持つ核種

核種によっては2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。

[編集] β^-崩壊と電子捕獲

³⁶Cl→β^-→³⁶Ar （半減期 30万1000年）

³⁶Cl→ε→³⁶S

¹⁹²Ir→β^-→¹⁹²Pt （半減期 73.83日）

¹⁹²Ir→ε→¹⁹²Os

[編集] β⁺ 崩壊と電子捕獲

²⁶Al→β⁺→²⁶Mg （半減期 71万7000年）

²⁶Al→ε→²⁶Mg

⁵²Mn→β⁺→⁵²Cr （半減期 312.1年）

⁵²Mn→ε→⁵²Cr

[編集] β^-崩壊とβ⁺崩壊と電子捕獲

⁴⁰K→β^-→⁴⁰Ca （半減期 12億7700万年）

⁴⁰K→β⁺→⁴⁰Ar

⁴⁰K→ε→⁴⁰Ar

¹²⁶I→β^-→¹²⁶Xe （半減期 13日）

¹²⁶I→β⁺→¹²⁶Te

¹²⁶I→ε→¹²⁶Te

[編集] α崩壊とβ^-崩壊

²¹⁰Bi→α→²⁰⁶Tl （半減期 5.013日）

²¹⁰Bi→β^-→²¹⁰Po

²²⁷Ac→α→²²³Fr （半減期 21.77年）

²²⁷Ac→β^-→²²⁷Th

[編集] 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までベータ崩壊を繰り返す。

²⁰O→β^{-→20F→β-→20Ne}

[編集] 関連項目

• 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
• パウリの排他原理
• フェルミ粒子
• スピン角運動量