原子核の壊変：安定を求める原子たちのドラマ

原子核の壊変：安定を求める原子たちのドラマ

壊変とは何か

物質を構成する最小単位である原子の、さらにその中心には、原子核と呼ばれる極小の世界が広がっています。原子核は陽子と中性子という小さな粒子が集まってできています。ところが、陽子と中性子の組み合わせによっては、原子核自体が不安定な状態になってしまうことがあります。
このような不安定な原子核は、より安定した状態に移行するために、自発的にその構造を変化させます。これを「壊変」と呼びます。壊変には、大きく分けて二つの種類があります。一つは、原子核が α線、β線、γ線といった放射線を放出する壊変です。もう一つは、原子核が二つ以上の原子核に分裂する「核分裂」と呼ばれる壊変です。
壊変によって、元の原子核は別の種類の原子核へと姿を変えます。例えば、ウラン238という不安定な原子核は、α壊変を繰り返すことで、最終的には安定な鉛206へと変化します。このように、壊変は原子核が安定を求めて変化する現象であり、自然界における元素の存在比や放射能といった現象と深く関わっています。まるで、目には見えない原子たちが、安定を求めて織りなす壮大なドラマと言えるでしょう。

壊変の種類

原子核は、自発的に放射線を放出して、より安定な状態に移行することがあります。これを壊変と呼びますが、壊変には、放出される放射線の種類によっていくつかのタイプがあります。

代表的なものとしては、α線、β線、γ線を放出する壊変が挙げられます。α壊変では、原子核からヘリウム原子核（α線）が放出されます。ヘリウム原子核は陽子2個と中性子2個から構成されているため、α壊変によって原子核は、陽子数が2つ、中性子数が2つ減少し、質量数は4つ減少します。α線は、紙一枚で遮蔽できるほど透過力が弱いという特徴があります。

β壊変では、原子核から電子または陽電子（β線）が放出されます。β-壊変では中性子が陽子と電子に変換され、原子核から電子が放出されます。この結果、原子核の陽子数は1つ増加し、中性子数は1つ減少します。一方、β+壊変では陽子が中性子と陽電子に変換され、原子核から陽電子が放出されます。この結果、原子核の陽子数は1つ減少し、中性子数は1つ増加します。β線はα線よりも透過力が強く、薄い金属板を透過することができます。

γ壊変では、原子核からエネルギーの高い電磁波（γ線）が放出されます。γ線は、α線やβ線と異なり質量を持たないため、γ壊変によって原子核の陽子数や中性子数は変化しません。γ線は非常に高いエネルギーを持つため、物質を透過する力が強く、遮蔽するためには厚い鉛やコンクリートが必要です。

これらの壊変は、それぞれ異なるメカニズムで起こり、原子核の種類やエネルギー状態によってどのタイプの壊変が起こるかが決まります。

親核種と娘核種

– 親核種と娘核種原子核は、常に安定した状態を保っているわけではありません。ある種の原子核は、自発的に構造を変化させ、異なる種類の原子核へと姿を変えます。この現象を「壊変」と呼びます。壊変は、原子核自身がより安定な状態へと移行するために起こる自然なプロセスといえます。壊変前の原子核は、まるで親が子を持つように、新たな原子核を生み出すことから「親核種」と呼ばれます。そして、壊変によって生み出された新しい原子核は、「娘核種」と呼ばれます。親核種が娘核種に変わる過程では、必ずエネルギーが放出されます。このエネルギーは、目には見えませんが、「放射線」と呼ばれる波や粒子の形で放出されます。放射線には、α線、β線、γ線など、いくつかの種類があり、どの種類の放射線が放出されるかは、壊変の種類によって異なります。娘核種の中には、安定した状態を保つものもありますが、中には、親核種と同様に不安定で、さらに壊変を繰り返すものも存在します。このような不安定な娘核種は、何回か壊変を繰り返し、最終的には安定した原子核へと変化していきます。このように、原子核は壊変と放射線を繰り返しながら、より安定な状態へと変化していくのです。

自然と人工の壊変

物質を構成する最小単位である原子は、中心にある原子核と、その周りを回る電子から成り立っています。そして、この原子核はさらに小さな陽子と中性子からできており、これらをまとめて核子と呼びます。この核子が不安定な状態から安定な状態へと変化することを壊変といい、壊変には自然に起こるものと、人工的に起こされるものの二種類があります。

自然に起こる壊変は、ウランやトリウムといった特定の種類の原子核が、長い年月をかけて自然に放射線を出しながら別の原子核へと変化していく現象です。ウラン238を例に挙げると、ウラン238はα線を放出してトリウム234へと壊変し、さらにトリウム234はβ線を放出してプロトアクチニウム234へと壊変していきます。このように、壊変する過程で放射線と呼ばれる目に見えないエネルギーを放出するのが特徴です。この放射線は、レントゲン写真に使われるX線や、がん治療に用いられるγ線などと同一のものですが、自然界に存在するウランなどから放出される放射線の量はごく微量なので、私達の健康に影響を与える心配はありません。

一方、人工的な壊変は、原子炉や加速器などを用いて、人工的に原子核に中性子や陽子などの粒子を衝突させることで引き起こされる壊変です。自然界では起こりにくい壊変を人工的に発生させることができるため、医療分野における診断や治療、工業分野における材料の分析や改質など、様々な分野で応用されています。具体的には、がん細胞を死滅させる放射線治療や、体内の様子を画像化する診断などに利用されています。このように、人工的な壊変は私達の生活に役立つ技術として広く活用されています。

壊変とエネルギー

– 壊変とエネルギー原子核が不安定な状態からより安定な状態へと変化することを壊変といい、このとき必ずエネルギーが放出されます。 これは、壊変によって新たに生成される原子核の質量の合計が、壊変前の元の原子核の質量よりもわずかに軽くなるためです。 この質量の差は、アインシュタインの有名な公式「E=mc²」（Eエネルギー、m質量、c光の速度）によって示されるように、莫大なエネルギーに変換されます。壊変によって放出されるエネルギーは、熱や光といった様々な形で放出されます。 例えば、ウランなどの重い原子核が中性子を吸収して二つ以上の原子核に分裂する核分裂では、膨大な熱エネルギーが放出されます。 原子力発電は、このウランの核分裂によって放出される熱エネルギーを利用してタービンを回し、電気エネルギーを生成しています。 また、太陽は中心部で水素原子核がヘリウム原子核へと変わる核融合反応を起こしており、この時に発生する膨大なエネルギーが光や熱として地球に届いています。このように、壊変とエネルギーの関係は、原子力発電や太陽など、私たちの身の回りの様々な現象と深く関わっています。