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核崩壊は非常に小さな領域への驚くべき窓を提供してきた。 核崩壊は質量とエネルギーの関係を初めて示し、自然界の4つの基本的な力のうちの2つが存在することを明らかにした。 このセクションでは、核崩壊の主な様式を探索し、最初に探索した人々と同じように、以前に知られていなかった粒子や保存則の証拠を発見することになります。 不安定な核種は崩壊（つまり放射性）し、何度も崩壊を繰り返して最終的に安定な核種を生成します。 元の核種を親核種、その崩壊生成物を娘核種と呼びます。 放射性核種の中には、1回で崩壊して安定核になるものもあります。 例えば、60Coは不安定で、直接安定な60Niに崩壊します。

238Uから始まる崩壊系列は、キュリー夫妻が最初に発見した226Raと210Poという放射性同位体を生成するので、特に興味深い（図1参照）。 また、ラドンガス（系列では222Rn）も生成され、自然界に存在する危険物質として認識されつつある。 ラドンは希ガスであるため、238Uを微量でも含む土壌などの物質から発散し、吸い込むことができる。 ラドンとその娘核種が崩壊することにより、内部障害が発生する。 238Uの崩壊系列は、鉛の安定同位体である206Pbで終わる。

図1に示したα崩壊の娘核種は、常に親核種より陽子数が2個、中性子数が2個少ないことに注意してください。 これは、α崩壊が陽子2個と中性子2個を持つ4He原子核の放出であることが分かっているので、合理的であると思われる。 β崩壊の娘核は、親核より中性子が1個少なく、陽子が1個多い。 ベータ崩壊は、これから見るように、もう少し微妙である。

アルファ崩壊

アルファ崩壊では、4He原子核は単に親核から離れ、親より2個少ない陽子と2個少ない中性子を持つ娘が残る（図2参照）。 α崩壊の一例を238Uの図1に示す。 もう一つのα崩壊を起こす核種は239Puです。 この2つの核種の崩壊方程式は

^{238}text{U}\rightarrow{^{234}} text{Th}_{92}^{234}+{^4}text{He}9194

and

^{238}text{Pu}יrightarrow{^{235}}text{U}+{^4}text{He}

元素の周期表を調べると、ThはZ=90で、Z=92のUより2つ少ないことがわかります。 同様に、2番目の崩壊式では、UはPuより陽子が2個少なく、Z=94であることがわかります。 α崩壊の一般法則は _Z^A}text{X}_N} の形式で書くのが最適である。 ある核種がα崩壊することが分かっている場合（一般にこの情報は付録Bのような同位体表で調べなければならない）。 そのα崩壊方程式は

_Z^A_Text{X}_Nrightarrow{_{Z-2}^{A-4}} ◇text{Y}_{N-2}+{_2^4} ◇text{He}_2 left(\alphatext{ decay}right)◇

ここでYはXより陽子が2つ少ない核種、例えばThはUより2つ少ないなどです。 ですから、239Pu αが崩壊すると言われて完全な崩壊式を書けと言われたら、まず陽子が2個少ない（原子番号が2つ低い）元素はどれか調べ、それがウランであることを知るでしょう。 そして、元の239から4個の核子が離れているので、その原子量は235となります。

α崩壊に関する保存則を調べてみるのも有益です。 Z^A_text{X}_N}rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}text{Y}_{N-2}+{_2^4}text{He}_2} の式から全電荷が保存されていることがわかる。 線運動量と角運動量も保存されます。 角運動量の保存はこの種の崩壊ではあまり重要ではないが、線運動量の保存は興味深い結果をもたらす。 原子核が崩壊するときに静止していれば、その運動量はゼロである。 この場合、核分裂片は同じ大きさの運動量で反対方向に飛ぶので、全運動量はゼロのままでなければならない。 これは、重いライフルの弾丸が、それを発射するために燃やした火薬のエネルギーのほとんどを持ち去るのと同じことで、α粒子はエネルギーのほとんどを持ち去ることになる。 崩壊で生じるエネルギーは、元の質量の何分の一かが変換されたもので、質量-エネルギーの総和も保存されます。 原子物理学で述べたように、一般的な関係はE = (Δm)c2.

ここで、Eは核反応エネルギー（反応は核崩壊でも他の反応でもよい）、Δmは初期生成物と最終生成物の質量差である。 最終生成物の全質量が少ないときΔmは正で、反応はエネルギーを放出する(発熱する)。 生成物の総質量が大きい場合、反応は吸熱性であり (Δmは負)、エネルギーを投入して誘導する必要がある。 α崩壊が自発的であるためには、崩壊生成物は親核よりも小さな質量でなければならない。

ベータ崩壊

ベータ崩壊には実は3つの種類がある。 最初に発見されたのは「普通の」ベータ崩壊で、β-崩壊または電子放出と呼ばれます。 β-という記号は、原子核のβ崩壊で放出される電子を表しています。 コバルト60は次のようにβ崩壊する核種である。 60Co → 60Ni + β-+ ニュートリノ

ニュートリノはベータ崩壊で放出される粒子で、予期されていなかったが基本的に重要である。 ベータ崩壊が電子の放出を伴うことが知られてから20年以上経つまで、ニュートリノは理論的に提案すらされなかった。 ニュートリノは検出が非常に難しいため、最初の直接の証拠が得られたのは1953年でした。 ニュートリノはほとんど質量がなく、電荷を持たず、強い核力によって核子と相互作用することはない。 ニュートリノはほぼ光速で移動するため、遭遇した原子核に影響を与える時間はほとんどない。 つまり、電荷を持たないため（電磁波でもない）、電磁気力による相互作用はない。 電荷がないため（電磁波でもない）、電磁力による相互作用はなく、比較的弱く、非常に短い距離の弱い核力によって相互作用する。 その結果、ニュートリノはほとんど全ての検出器から逃れ、ほとんど全ての遮蔽物を通り抜けます。 しかしながら、ニュートリノはエネルギー、角運動量（半整数のスピンを持つフェルミオンである）、線運動量をベータ崩壊から運び去ります。 ベータ崩壊の正確な測定が行われたとき，エネルギー，角運動量，線運動量は娘核と電子だけでは説明できないことが明らかになりました。 それまで疑われなかった粒子がそれらを運んでいるのか、あるいは3つの保存則が破れているのか、どちらかであった。 ウォルフガング・パウリは、1930年にニュートリノの存在を正式に提案した。 イタリア生まれのアメリカの物理学者エンリコ・フェルミ(1901-1954)は、ベータ崩壊の高度な理論を開発したときに、小さな中性のものを意味するニュートリノの名前を与えました（図3参照）。 フェルミの理論の一部は，弱い核力が強い核力とは異なるものであり，実際にベータ崩壊に関与していることを明らかにしたことであった

また、ニュートリノは新しい保存則を明らかにした。 粒子にはいろいろな族があり、その一つに電子族がある。 我々は、電子族のメンバーの数は、どんなプロセスでも、どんな閉じた系でも一定であることを提案する。 ベータ崩壊の例では、崩壊前には電子族は存在しませんが、崩壊後には電子とニュートリノが存在します。 したがって、電子には電子族番号+1が与えられます。 β崩壊のニュートリノは電子の反ニュートリノで、記号は \bar{Cachenu}_e} で、ここで ν はギリシャ文字の nu であり、添字 e はこのニュートリノが電子と関連していることを意味します。 棒はこれが反物質の粒子であることを示している。 (すべての粒子には、電荷が反対であることを除いてほとんど同じ反物質の対応物がある。 反物質は地球上にはほとんど存在しないが、核崩壊やその他の核反応、素粒子反応、そして宇宙空間に存在する)。 電子の反ニュートリノであるⒶは反物質であるため、電子族番号が-1である。 崩壊前と崩壊後の合計は0である。 新しい保存則は、あらゆる状況で従い、電子の総家族数は一定であることを述べている。 電子は、反物質の家族を作らずに作ることはできない。 この法則は、電荷の総量がもともとゼロであり、総量をゼロに保つためには、反応の中で正と負の電荷を等量作らなければならない状況での電荷の保存に類似している。

ある核種_Z^Atext{X}_N}がβ-崩壊することが分かっている場合、そのβ-崩壊方程式は

text{X}_N}rightarrow{Y}_{N-1}+beta^{-}+bar{nu}_e} （β-崩壊）である。

ここで、YはXより陽子が1つ多い核種である（図4参照）。 つまり、ある核種がβ-崩壊することが分かっていれば、まず親のZを調べて、原子番号Z+1の元素を判断すれば、娘核を見つけることができるのです。 先ほどの60Coのβ崩壊の例では、CoはZ=27、NiはZ=28であることがわかります。 これはあたかも親核の中性子の1個が陽子と電子とニュートリノに崩壊するようなものです。 実際、原子核の外にある中性子はまさにそのような状態です。中性子は平均数分しか生きられず、次のようにβ崩壊します：

text{n}rightarrowtext{p}+^{-}+{nu}_e}

β-崩壊では、崩壊の前後で全電荷がZであるので、電荷は保存されていることが分かる。 例えば60Co崩壊では、コバルトはZ=27なので、崩壊前の全電荷は27である。 崩壊後の娘核はZ=28のNiであり、電子もあるので全電荷も28+(-1)すなわち27となる。 角運動量は保存されているが、明らかに保存されていない（これを確かめるには、最終生成物のスピンと角運動量を詳しく調べる必要がある）。 線運動量も保存され，電子と反ニュートリノはそれぞれ質量が小さいので，崩壊エネルギーの大部分は電子と反ニュートリノに与えられます。 もう一つの新しい保存則は、ここでも自然界の他の場所でも守られる。 核子の総数Aは保存される。 例えば60Coの崩壊では、崩壊の前後で60個の核子が存在する。 α崩壊でも総数Aは保存されることに注意。 また、陽子の総数が変化し、中性子の総数も変化するので、α崩壊のようにβ崩壊では総Zと総Nは保存されないことに注意。 β崩壊で放出されるエネルギーは、親核と生成物の質量が与えられれば計算できる。 \β- decay energy from Masses

Find the energy emitted in β- decay of 60Co.

戦略とコンセプト

前の例と同様に、まず付録Aで与えられた質量を使って親核と崩壊生成物の質量差Δmを求めなければなりません。 次に放出されるエネルギーを前と同じように E = (Δm)c2 で計算する。 初期質量は親核の質量だけであり、最終質量は娘核と崩壊で生成された電子の質量である。 ニュートリノは無質量か、あるいはそれに近い。 しかし，付録Aで与えられている質量は中性原子に対するものなので，娘核は親核よりも電子が1個多く，β-に対応する余分な電子の質量はNiの原子質量に含まれることになる。 したがって、Δm＝m（60Co）-m（60Ni）である。

解答

60Coのβ-崩壊式は

_{27}^{60} text{Co}_{33}\rightarrow{28}^{60} text{Ni}_{32}+arettebeta^{-}+arettebar{nu}_e}

気づいたように、この式は。 Δm = m(60Co )-m(60Ni) となります。

付録Aで求めた質量を入力すると、Δm = 59.933820 u – 59.933820 u – 59.933820 uとなる。930789 u = 0.003031 u.

したがって、E = (Δm)c2 = (0.003031 u)c2.

1u=931.5MeV/c2を使って、E = (0.003031)(931.5 MeV/c2)(c2) = 2.82 MeVと求まる。

考察と含意

この例で最も難しいのは、60Niの原子質量にβ-質量が含まれていることを納得させることでしょう。 それ以上に他の意味合いがあります。 ここでも崩壊エネルギーはMeVの範囲である。 このエネルギーは崩壊のすべての生成物で共有される。 多くの60Co崩壊では、娘核である60Niは励起状態に置かれ、光子( γ線)を放出する。 娘核の反跳運動エネルギーは小さいので、残りのエネルギーのほとんどは電子とニュートリノに行きます。 最後の注意点として、β-崩壊で放出される電子は崩壊時に原子核に作られる。