陽電子放出

陽電子放出、ベータプラス崩壊、またはβ +崩壊は、ベータ崩壊と呼ばれる放射性崩壊の一種であり、放射性核種原子核内の陽子が中性子に変換され、陽電子と電子ニュートリノ（ν e ）が放出される。[ 1 ]陽電子放出は弱い力によって媒介される。陽電子はベータ粒子（β + ）の一種であり、もう一方のベータ粒子は原子核の β −崩壊によって放出される電子（β − ）である。

陽電子放出（β +崩壊）の例として、マグネシウム 23がナトリウム 23に崩壊する例を示します。

23 12マグネシウム→23 11Na + e++ νe

陽電子放出は中性子数に比べて陽子数を減少させるため、陽電子崩壊は典型的には大きな「陽子過剰」放射性核種で起こります。陽電子崩壊は原子核変換を引き起こし、ある化学元素の原子を、原子番号が1単位小さい 元素の原子に変換します。

陽電子放出は地球上の自然界では極めて稀にしか起こりません。既知の例としては、宇宙線との相互作用や、カリウム40などの特定の同位体の崩壊が挙げられます。この希少なカリウムは地球上の元素のわずか0.012%を占めており、陽電子放出によって崩壊する確率は10万分の1です[ 2 ]。

陽電子放出は、電子放出やベータマイナス崩壊（β崩壊）と混同しないでください。ベータマイナス崩壊は、中性子が陽子に変化し、原子核が電子と反ニュートリノを放出するときに発生します。

陽電子放出は、陽子の仮説上の崩壊である陽子崩壊とは異なります。陽子崩壊は必ずしも中性子と結合した陽子ではなく、必ずしも陽電子の放出によるものではなく、原子物理学の一部ではなく、むしろ粒子物理学の一部です。

陽電子放出の発見

1934年、フレデリックとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーは、アルミニウムにアルファ粒子（ポロニウムから放出される）を照射して核反応を起こした。4 2彼 + 27 13アル →30 15P  + 1 0n、そして生成物の同位体が30 15Pは、1932年にカール・デイヴィッド・アンダーソンが宇宙線で発見したものと同一の陽電子を放出する。[ 3 ]これはβの最初の例であった。+ 崩壊（陽電子放出）。キュリー夫妻はこの現象を「人工放射能」と呼んだ。30 15Pは自然界には存在しない短寿命核種です。この人工放射能の発見は、夫婦がノーベル賞を受賞した際にも引用されるでしょう。

陽電子放出同位体

この崩壊を起こして陽電子を放出する同位体には、炭素11、窒素13、酸素15、フッ素18、銅64、ガリウム68、臭素78、ルビジウム82、イットリウム86、ジルコニウム89、[ 4 ] 、ナトリウム22、アルミニウム26、カリウム40、ストロンチウム83、ヨウ素124などがあるが、これらに限定されない。[ 4 ] [ 5 ]例として、次の式は炭素11からホウ素11へのベータプラス崩壊を示し、陽電子とニュートリノを放出する。

11 6C → 11 5B + e+ + νe + 0.96  MeV

排出メカニズム

陽子と中性子の中には、クォークと呼ばれる基本粒子が存在します。最も一般的な2種類のクォークは、電荷が + 2 ⁄ 3のアップクォークと、電荷が - 1 ⁄ 3 のダウンクォークです。クォークは3個ずつ集まって陽子と中性子を形成します。電荷が +1 の陽子には、アップクォークが2個、ダウンクォークが1個あります( 2 ⁄ 3 + 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 1)。電荷を持たない中性子には、アップクォークが1個、ダウンクォークが2個あります ( 2 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 − 1 ⁄ 3 = 0)。弱い相互作用によって、クォークはダウンからアップへとフレーバーを変えることができ、その結果、電子が放出されます。陽電子は、アップクォークがダウンクォークに変化し、実質的に陽子が中性子に変換されるときに発生します。 [ 6 ]

陽電子放出によって崩壊する原子核は、電子捕獲によっても崩壊する可能性がある。低エネルギー崩壊では、電子捕獲がエネルギー的に有利である（2 m e c 2 =）。1.022 MeV、これは最終状態で陽電子が付加されるのではなく電子が除去されるためです。崩壊エネルギーが上昇するにつれて、陽電子放出の分岐比も増加します。しかし、エネルギー差が2 m e c 2未満の場合、陽電子放出は起こらず、電子捕獲が唯一の崩壊モードとなります。通常は電子捕獲を行う特定の同位体（例えば、7Be ) は銀河宇宙線中では安定しています。これは電子が剥ぎ取られ、崩壊エネルギーが陽電子放出には小さすぎるためです。

省エネ

陽電子は親原子核から放出されるが、娘原子（Z−1）は親原子からZ個の原子電子を受け継いでいる。つまり、娘原子は負イオンである（少なくとも陽電子放出直後は）。質量表は原子質量 に対するものであり、陽電子の質量は電子の質量と同一であるため、全体的な結論として、 2個の電子 の質量エネルギーが必要となり、β +崩壊がエネルギー的に可能であるのは、親原子の質量が娘原子の質量を少なくとも2電子質量（2 m e c 2 = 1.022 MeV）超える場合のみである。[ 7 ]ZあX→Z−1あはい++10e++−10e−{\displaystyle _{Z}^{A}{\textrm {X}}\rightarrow _{Z-1}^{A}{\textrm {Y}}+_{+1}^{0}{\textrm {e}}^{+}+_{-1}^{0}{\textrm {e}}^{-}}

陽子から中性子への変換によって質量が増加する同位体、または質量が2 m e未満減少する同位体は、陽電子放出によって自発的に崩壊することはできない。[ 7 ]

応用

これらの同位体は、医療用画像診断技術である陽電子放出断層撮影法に用いられます。放出されるエネルギーは崩壊する同位体に依存し、0.96 MeV は炭素 11の崩壊にのみ適用されます。

短寿命陽電子放出同位体11 C（T 1 ⁄ 2 =20.4分）、13N（T 1 ⁄ 2 =9.9分）、15 O（T 1 ⁄ 2 =2.0分）、18 F（T 1 ⁄ 2 =陽電子放出断層撮影に用いられる重水素（109.8分）は、通常、天然または濃縮された標的への陽子または重陽子の照射によって生成される。[ 8 ] [ 9 ]

参考文献

  1. ^ 「核化学」ノースカロライナ大学チャペルヒル校。2012年6月14日閲覧。
  2. ^カリウム40
  3. ^ジョリオットMF、キュリーI世（1934年）。「Un nouveau type de radioactivité」 [新しいタイプの放射能]。Ｊ．Ｐｈｙｓ．（フランス語で）。5 (153):254。
  4. ^ a b Conti M, Eriksson L (2016年12月). 「PET用純粋および非純粋陽電子放出体の物理学：レビューと考察」 . EJNMMI Physics . 3 (1): 8. doi : 10.1186/s40658-016-0144-5 . PMC 4894854. PMID 27271304 .  
  5. ^ Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). 「NUBASE2020による核特性の評価」(PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
  6. ^仕組み:陽電子放出
  7. ^ a b L'Annunziata, Michael F. (2016). 『放射能：序論と歴史、量子からクォークまで』エルゼビア. p. 180. ISBN 9780444634962。
  8. ^ 「ブリティッシュコロンビア大学における陽電子放出断層撮影画像」。陽電子放出断層撮影画像。ブリティッシュコロンビア大学。2018年1月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年5月11日閲覧。
  9. ^ Ledingham KW, McKenna P, McCanny T, Shimizu S, Yang JM, Robson L, Zweit J, Gillies JM, Bailey J, Chimon GN, Clarke RJ (2004). 「陽電子放出断層撮影のための短寿命同位体の高出力レーザー生成」. Journal of Physics D: Applied Physics . 37 (16): 2341– 2345. Bibcode : 2004JPhD...37.2341L . doi : 10.1088/0022-3727/37/16/019 . S2CID 250744282 . 
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Positron_emission&oldid=1334102630」より取得