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。

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