トリウム系列：地球の鼓動を刻む放射性崩壊

トリウム系列：地球の鼓動を刻む放射性崩壊

トリウム系列の始まり

– トリウム系列の始まり

地球の奥深く、私たちの足元で静かに時を刻む元素、トリウム232（Th-232）。それは、ウランとともに自然界に存在する放射性元素の一つであり、トリウム系列と呼ばれる壮大な原子核崩壊の物語の主人公です。

トリウム232は、α崩壊というプロセスを経て、まずラジウム228（Ra-228）へと姿を変えます。α崩壊とは、原子核がヘリウム原子核（α粒子）を放出することで、原子番号が2減り、質量数が4減る現象です。

ラジウム228への変化は、トリウム232の長きにわたる変身のほんの始まりに過ぎません。ラジウム228は、β崩壊と呼ばれる別のプロセスを経て、さらに別の元素へと変化していきます。β崩壊とは、原子核が電子を放出することで、原子番号が1増える現象です。

こうして、トリウム232から始まった原子核崩壊の連鎖は、様々な放射性元素を経て、最終的に安定な鉛208（Pb-208）へと到達するまで続きます。この一連の崩壊過程が、トリウム系列と呼ばれるものです。

トリウム系列は、地球の年齢を測定したり、地質学的な年代測定に利用されたりするなど、様々な分野で重要な役割を担っています。

４ｎ系列：質量数の規則性

トリウム系列は、別名「４ｎ系列」とも呼ばれます。これは、この系列に属する全ての核種の質量数が、４の倍数で表せるという興味深い特徴に由来します。ここで、ｎは正の整数を表します。この規則性は、原子核の構造と安定性を理解する上で重要な手がかりを与えてくれます。

原子核は、陽子と中性子という２種類の粒子で構成されています。質量数は、その原子核に含まれる陽子と中性子の数の合計を表す値です。トリウム系列では、α崩壊という現象が繰り返し起こります。α崩壊とは、原子核からヘリウム原子核（陽子２個と中性子２個からなる粒子）が放出される現象です。ヘリウム原子核の質量数は４なので、α崩壊が起こると原子核の質量数は４減ります。

トリウム232の質量数は232で、これは４の倍数です。トリウム232からα崩壊が始まり、崩壊系列が進んでも、質量数は常に４ずつ減っていきます。そのため、トリウム系列に属する核種の質量数は、全て４の倍数になるのです。このことから、トリウム系列は「４ｎ系列」とも呼ばれます。

このように、質量数の規則性から、トリウム系列がα崩壊という共通の過程を経ていくことが分かります。原子核の崩壊現象を理解することは、原子力の安全利用や放射性廃棄物の処理方法を考える上で非常に重要です。

放射性崩壊の連鎖

放射性物質の中には、崩壊した後も不安定な原子核を生成し続けるものが多く存在します。ラジウム228はその一例で、トリウム232よりもはるかに短い半減期を持つ不安定な核種です。ラジウム228は、α崩壊を起こしてラドン224へと変化します。これは、原子核からヘリウム原子核（α粒子）が放出される現象です。
ラドン224もまた不安定で、α崩壊とβ崩壊を繰り返しながら、様々な娘核種へと変化していきます。β崩壊は、原子核の中性子が陽子へと変化し、電子と反ニュートリノを放出する現象です。
このように、放射性崩壊が連続して起こることを放射性崩壊の連鎖と呼びます。ラジウム228から始まるこの崩壊の連鎖は、最終的に安定な鉛208（Pb-208）に到達するまで続きます。この過程で放出される放射線は、周囲の物質と相互作用し、様々な影響を及ぼします。そのため、放射性崩壊の連鎖は、原子力発電や医療分野など、放射性物質を取り扱う上で重要な概念となります。

放射平衡：崩壊と生成のバランス

地球上には、ウランやトリウムといった放射性元素が存在しています。これらの元素は、時間の経過とともに自然に崩壊し、別の元素へと変化していきます。この現象を放射性崩壊と呼びます。放射性崩壊は一定の速度で進行し、元の元素の量が半分になるまでの時間を半減期と呼びます。

トリウム232は、ウラン238とともに自然界に広く存在する放射性元素の一つです。トリウム232の半減期は約140億年と非常に長く、これは地球の年齢とほぼ同じです。地球が誕生してから現在までの間に、トリウム232は崩壊を続けていますが、一方で新たなトリウム232も生成されています。

トリウム232は、ウラン238が崩壊する過程で生じます。ウラン238は長い半減期を経て、いくつかの放射性元素へと変化し、最終的に安定な鉛206になります。この一連の崩壊過程の中で、トリウム232も生成されるため、トリウム232は常に一定量存在し続けているのです。このように、放射性元素の崩壊と生成のバランスが保たれている状態を放射平衡と呼びます。

トリウム232は、崩壊する際に熱を発生します。地球内部には、トリウム232をはじめとする放射性元素が大量に存在するため、これらの元素が崩壊する際に発生する熱は、地球内部の熱源として重要な役割を果たしています。この熱は、地球内部の対流や火山の噴火など、地球の活動に大きな影響を与えていると考えられています。

トリウム鉱と永続平衡

– トリウム鉱と永続平衡

トリウム鉱は、ウラン鉱床とは異なる特徴を持つ鉱物であり、原子力エネルギーの将来を担う可能性を秘めたトリウム232（Th-232）を豊富に含んでいます。トリウム232は、ウラン235のように天然に存在する放射性元素ですが、ウランとは異なる崩壊系列をたどります。トリウム232は、長い年月をかけてアルファ崩壊を繰り返しながら、ラジウムやラドンなどの放射性同位体を経て、最終的に安定した鉛208へと変化していきます。

トリウム鉱の中で特筆すべき点は、数万年以上の長い年月を経て、トリウム232とその崩壊系列に属する全ての放射性同位体が、一定の比率で共存する「永続平衡」と呼ばれる状態に達することです。これは、トリウム232の半減期が約140億年と非常に長く、地球の年齢である約46億年と比較しても、はるかに長い時間にわたって放射性崩壊が続くためです。

永続平衡の状態では、トリウム232の崩壊によって生成される放射性同位体の生成速度と崩壊速度が釣り合うため、それぞれの同位体の存在比率は一定になります。この状態は、地球科学的な時間の流れや、過去の出来事を推測する上で重要な手がかりを与えてくれます。例えば、トリウム鉱中のトリウム232と鉛208の比率を調べることで、その鉱物が形成された年代を推定することができます。また、トリウム鉱の存在は、地球内部の熱源やマントルの動きなどを解明する上でも重要な情報源となります。

ラドン220：短命な放射性核種

ウラン238から始まるウラン系列と並んで、トリウム232から始まるトリウム系列もまた、自然界に存在する主要な放射性崩壊系列の一つです。このトリウム系列には、半減期がわずか55秒という短命な放射性核種であるラドン220が含まれています。ラドン220は、ラドン222と同様に気体として存在するため、地盤や建材などから容易に空気中に拡散する性質を持っています。

ラドン220は、その短い半減期のため、発生源から遠く離れた場所では濃度が大きく低下します。そのため、屋外環境での健康影響は、ほとんど無視できると考えられています。しかし、換気が不十分な室内環境では、ラドン220が蓄積し、呼吸によって人体に取り込まれる可能性があります。ラドン220が崩壊する際に放出されるアルファ線は、その高い電離作用により、呼吸器系組織に影響を与える可能性があります。

ラドン220の健康影響を低減するためには、その発生源となるトリウムを含む建材の使用を控える、床や壁の隙間を埋めるなどの対策が有効です。また、定期的な換気を実施することで、室内に拡散したラドン220を屋外に排出することも重要です。ラドン220の濃度は、専用の測定器を用いることで測定することができます。もし、室内環境で高い濃度が検出された場合には、専門家の助言を得ながら、適切な対策を講じる必要があります。