陽電子放出

陽[[電子]]放出とは

陽[[電子]]放出（Positron Emission）は、正のベータ崩壊（β+崩壊）とも呼ばれ、原子核が陽[[電子]]を放出する現象です。これはベータ崩壊の一種であり、原子核内の陽子が弱い相互作用によって中性子に変換される際に起こります。この変換過程で、陽[[電子]]とニュートリノが放出されます。

陽[[電子]]放出のメカニズム

陽[[電子]]は電子の反粒子であり、ベータプラス粒子とも呼ばれます。陽[[電子]]放出は、陽子が中性子に変化する際に、アップクォークがダウンクォークに変化することで起こります。この変化に伴い、陽[[電子]]とニュートリノが放出されます。

陽[[電子]]放出を起こす放射性同位体には、炭素11、カリウム40、窒素13、酸素15、フッ素18、ヨウ素121などがあります。例えば、炭素11はホウ素11に崩壊する際に陽[[電子]]を放出します。この反応は以下の式で表されます。

math
{\ce {_{6}^{11}C->_{5}^{11}B +{\mathit {e}}^{+}+
u _{\mathit {e}}}}


この崩壊で放出される陽[[電子]]のエネルギーは、例えば炭素11の場合は0.96 MeVと、同位体固有の値を持っています。

クォークレベルでの説明

陽子や中性子は、さらに小さな素粒子であるクォークから構成されています。陽子と中性子はいずれも3つのクォークから成り立っており、陽子はアップクォーク2つとダウンクォーク1つ、中性子はアップクォーク1つとダウンクォーク2つから構成されています。これらのクォークの組み合わせにより、陽子と中性子の特性が決まります。

陽[[電子]]放出は、陽子内のアップクォークがダウンクォークに変化する際に起こります。この変化に伴い、陽[[電子]]とニュートリノが放出されます。一方、負のベータ崩壊（β−崩壊）は、ダウンクォークがアップクォークに変化する際に起こります。

電子捕獲との関係

陽[[電子]]放出を起こす原子核は、電子捕獲によって崩壊することもあります。電子捕獲は、原子核が自身の電子殻から電子を取り込む現象で、陽[[電子]]放出と競合します。エネルギーが低い場合には、電子捕獲の方が優先されることがあります。これは、陽[[電子]]を放出するよりも電子を取り込む方がエネルギー的に有利なためです。しかし、エネルギーが高くなるにつれて陽[[電子]]放出の割合が増加します。

崩壊エネルギーが1.022 MeV（電子質量の2倍）よりも小さい場合には、陽[[電子]]放出は起こり得ず、電子捕獲のみが崩壊の手段となります。

特殊な例

ベリリウム7のように、通常は宇宙線の中で安定している同位体は、電子が剥ぎ取られているため、陽[[電子]]放出には崩壊エネルギーが小さすぎます。

陽子から中性子に変化する際に質量が増加する場合や、質量減少が電子質量の2倍よりも小さい場合には、自然には陽[[電子]]崩壊は起こりません。

医療分野での応用

陽[[電子]]放出は、陽[[電子]]断層法（PET検査）などの医療画像処理に利用されています。PET検査では、陽[[電子]]放出核種を投与し、そこから放出される陽[[電子]]と電子が対消滅する際に発生するガンマ線を検出することで、体内での核種の分布を画像化します。これにより、様々な疾患の診断や治療効果の判定に役立てられています。陽[[電子]]放出核種は、その崩壊特性から放出されるエネルギーが異なるため、目的に応じて使い分けられています。

陽[[電子]]放出は、基礎物理学の研究だけでなく、医療分野においても重要な役割を果たしています。

もう一度検索