ベータ粒子

ベータ線：性質、挙動、そして医療における応用

ベータ線は、放射線の一種であり、高速で移動する電子（β-崩壊）または陽電子（β+崩壊）の流れを指します。原子核におけるベータ崩壊という現象から生じ、そのエネルギーは連続的なスペクトルを持ちます。ベータ粒子の正体は電子または陽電子であり、これらはスピンや質量といった基本的な性質を共有しています。β+崩壊で生成された陽電子は、物質中の電子と対消滅を起こし、0.511 MeVの光子を2個生成します。この現象は、物質との相互作用において重要な役割を果たします。

ベータ線の飛程と物質との相互作用

ベータ線の飛程、つまり物質中を進む距離は、その初期エネルギーによって決定されます。同じ放射性物質から放出されるベータ粒子であっても、エネルギーは一定ではなく、広い範囲に分布します。そのため、飛程を表す際には、最大エネルギーを持つベータ粒子の飛程を用いるのが一般的です。

ベータ粒子は電荷を持つため、物質中を移動する際に原子核や軌道電子と相互作用します。原子核との相互作用では、クーロン力による制動放射が発生し、エネルギーを失います。軌道電子との相互作用では、電離や励起を引き起こし、物質に影響を与えます。アルファ粒子と比較すると、ベータ粒子の電離作用は弱いため、エネルギーを失う速度が遅く、より長い距離を移動します。また、ベータ粒子は物質中の原子核や電子によって進行方向を曲げられるため、直線的に進むことはなく、ジグザグに移動します。

ベータ線の遮蔽

ベータ線の透過力はアルファ線に比べて強いものの、数mmのアルミ板や1cm程度のプラスチック板で十分に遮蔽できます。しかし、ベータ粒子が遮蔽物で減速する際に制動放射によってX線が生成されるため、X線に対する遮蔽も必要となります。制動放射の強さは遮蔽物の原子番号に依存し、原子番号が大きいほど強くなります。そのため、ベータ線の遮蔽には、プラスチックなどの低原子番号物質でベータ線を減速させ、その後、鉛などの高原子番号物質で発生したX線を遮蔽するという二段階の対策が必要となる場合があります。

医療におけるベータ線の利用

ベータ線は医療分野、特にがん治療において重要な役割を果たしています。その強い電離作用と比較的短い飛程という特性を生かし、小線源治療に用いられています。小線源治療には、放射性同位元素を密封した容器を腫瘍組織に直接挿入する密封小線源治療と、放射性同位元素や標識された薬剤を体内に投与する非密封小線源治療があります。

密封小線源治療では、125I、137Cs、192Ir、198Auなどのベータ線放出核種が使用されます。高線量率照射と低線量率照射があり、低線量率線源は長期間留置され、高線量率線源はRALS（Remote After-Loading System）と呼ばれる装置を用いて短時間照射が行われます。非密封小線源治療では、131I-Bexxar、89Sr-Metastron、153Sm-Quadramet、90Y-Zevalin、177Lu-DOTA-TATEなどのベータ線放出核種標識薬剤が用いられます。131Iはベータ線とともにガンマ線も放出するため、体内での分布を評価することが可能です。

近年では、ベータ線よりも電離作用が強く、飛程が短いアルファ線が放射線治療に用いられるようになりつつあります。

ベータ線の発見

ベータ線は1898年、アーネスト・ラザフォードによって天然ウランからの放射線として発見されました。その正体である電子は1897年、陽電子は1932年にそれぞれ発見されました。ベータ線の発見は、原子物理学の発展に大きく貢献しました。

ベータ線は、その性質と応用の両面において、科学技術や医療に重要な役割を果たしている放射線の一種です。今後も、その特性を生かした様々な応用が期待されます。

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