ベータ崩壊

ベータ崩壊の概要

ベータ崩壊は、原子核が放射性崩壊を遂げる過程の一つであり、この際、中性子が陽子に変化することで電子（ベータ線）と反電子ニュートリノが放出されます。この現象は「中性子 ⇄ 陽子 + 電子 + 反電子ニュートリノ」という遷移過程によって説明され、逆の過程である電子捕獲も関連しています。

ベータ崩壊は主に二種類、すなわち
1. β−崩壊（負のベータ崩壊）：中性子が電子と反電子ニュートリノを放出し陽子に変化する。
2. β+崩壊（正のベータ崩壊）：陽子が陽電子と電子ニュートリノを放出して中性子に変化する。

そのほか、電子捕獲や二重ベータ崩壊もベータ崩壊の一部とみなされ、様々なモードが存在しますが、これらの崩壊において質量数は変化しません。つまり、ベータ崩壊は同じ重体間での変化に過ぎないことが特徴です。

ベータ崩壊の理論

放射性物質から放出される放射線は、主にアルファ線（ヘリウム原子核）、ベータ線（電子）、ガンマ線（高エネルギーの電磁波）で構成されます。興味深いことに、アルファ線やガンマ線は離散的なエネルギーを持つのに対し、ベータ線は連続的なエネルギー分布を示すため、その原因を探る理論が展開されました。

初めは、ベータ崩壊における連続的なエネルギー分布が他の放射線と異なる理由を量子力学的な観点で説明しようとしましたが、アルファ線やガンマ線のエネルギーレベルが離散的であることから否定されました。さらに、ベータ線が放出された後に散乱や吸収を受けるためと考えられましたが、これも否定されました。

その後、物理学者ヴォルフガング・パウリが新粒子の存在を提唱し、それによってエネルギーの連続的な分布を説明できることを示しました。パウリは、ベータ崩壊において電子とともに未知の粒子が放出されると考え、これによりエネルギーが連続的に分配されるという重要な見解を持ちました。この新粒子は後に「ニュートリノ」と名付けられ、ベータ崩壊に関する理論の構築の基礎となりました。

各ベータ崩壊のモード

β−崩壊

β−崩壊では、中性子が電子と反電子ニュートリノを放出して陽子になる過程が進行します。例えば、安定同位体に比べて中性子が過剰な核種がこの反応を示します。

$$
{n} \rightarrow {p}+{e}^{-}+{\bar {ν}}_{e}
$$

これは原子番号が1増加する変化を伴います。例として、アルゴン42からカリウム42への変化があります。

β+崩壊

逆に、β+崩壊では陽子が陽電子と電子ニュートリノを放出し、中性子に変わります。これは主に、安定同位体よりも陽子が多い核種において起こります。

$$
{p}^{+} \rightarrow {n}+{e}^{+}+{ν}_{e}
$$

これにより、原子番号は1減少し、ネオジム132からプラセオジム132に変化する例などもあります。

電子捕獲

電子捕獲は異なるメカニズムですが、陽子が電子を捕獲し中性子に變わる過程です。

$$
{p}^{+}+{e}^{-}\rightarrow {n}+{ν}_{e}
$$

この種の崩壊でも、最終的には原子番号が1少ない元素に変化します。

二重ベータ崩壊

珍しい現象として、ベータ崩壊が二度起こる「二重ベータ崩壊」があります。この場合、質量の減少が伴うため、非常にまれに発生します。

このように、ベータ崩壊は原子核の変化を理解するための重要な現象であり、現代物理学における多くの理論に影響を与えています。

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