電子捕獲

電子捕獲とは

電子捕獲（でんしほかく、electron capture、略称：EC）は、放射性崩壊の一種で、原子核内の陽子が周囲の電子を取り込む過程を指します。この現象では、原子核がK殻や時にはL殻、M殻に存在する電子を捕獲し、その電子が陽子と結びついて中性子へと変化します。この過程に伴って、電子ニュートリノが放出されるのが特徴です。

現象の概要

電子捕獲が起こる際、原子核内の陽子数は1つ減少し、中性子数は1つ増加します。この変化により、質量数には変更がなく、原子番号が1つ減少します。この操作を数式で示すと、以下のようになります：

$$\ce {p + e^{-} -> n +
u_{e}}$$

ここで、$p$は陽子、$e^{-}$は捕獲された電子、$n$は中性子、$
u_{e}$は放出された電子ニュートリノを表します。

クォークレベルでの解釈

より詳細に見てみると、クォークのレベルでは次のような反応が起こります：

$$\ce {u + e^{-} -> d +
u_{e}}$$

この場合、$u$クォーク（アップクォーク）は、電子と結びついて$d$クォーク（ダウンクォーク）へと変換されます。

捕獲の条件

電子捕獲は特に陽子数が過剰で、したがって不安定な原子核でよく見られます。この現象はβ+崩壊（陽電子崩壊）と競合することが多いですが、親核と娘核のエネルギー差が1.022 MeV未満である場合、必ず電子捕獲が優先されます。

捕獲された電子が軌道にできた空隙には、外部の電子が遷移してきます。この時、エネルギーの差に応じた波長の特性X線が放出され、さらに高エネルギーの電子が外に放出されるオージェ電子も観察されることがあります。

影響因子

電子捕獲の頻度は、化学結合の状態や圧力などの外的要因によっても影響を受けます。例えば、ベリリウム7の場合、金属状態における半減期と比較して、フッ化物中での半減期は0.074%長くなることが確認されています。さらに、ベリリウム7原子をフラーレン（C60）の中に閉じ込めると、半減期が0.83%短縮されることも報告されています。

発見の歴史

β+崩壊が成り立つためには、親核と娘核の間のエネルギー差が、電子と陽電子の静止エネルギー以上でなければなりません。しかし、実際にはこの条件を満たさない崩壊例が多く見つかりました。1935年に物理学者湯川秀樹は、原子核が電子を捕獲する新しい過程を提唱し、1937年にはルイ・アルヴァレによってK殻電子の捕獲が実験的に証明されました。

電子捕獲の具体例

電子捕獲のいくつかの例には以下のようなものがあります：

• - $$\ce {^{26}_{13}Al + e^{-} -> ^{26}_{12}Mg +

u_{e}}$$

• - $$\ce {^{37}_{18}Ar + e^{-} -> ^{37}_{17}Cl +

u_{e}}$$

• - $$\ce {^{59}_{28}Ni + e^{-} -> ^{59}_{27}Co +

u_{e}}$$

産業への応用

電子捕獲は、直接的な放射性崩壊の現象とは異なる用途でも利用されています。例えば、電子捕獲型検出器は、微量有機物の定量に使用され、魚介類のトリブチルスズ化合物や残留農薬の検出でも活用されています。

また、光刺激ルミネッセンス（OSL）を活用した線量計が、外部被ばくの測定に用いられています。さらに、地質の年代を測定する際にもOSL発光現象が利用されています。

結論

電子捕獲は、原子核内の構造や性質を理解するための重要な現象であり、様々な応用が期待されています。これにより、科学界や産業界における貢献が続いています。

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