放射性核種

2013年時点で知られている核種のチャート。大多数は放射性核種です

放射性核種（放射性核種、放射性同位体、または放射性同位元素）は、不安定で、放射性崩壊を起こして別の核種になることが知られている核種です。その核種は別の放射性核種（崩壊系列を参照）である場合もあれば、安定している場合もあります。放射性核種から放出される放射線は、他の原子から電子を解放するのに十分なエネルギーを持っているため、 ほとんどの場合電離放射線です。

放射性崩壊は、単一原子レベルではランダムな過程であり、特定の原子がいつ崩壊するかを予測することは不可能である。 [1] [2]しかし、単一核種の原子集合体については、崩壊速度（統計的平均値として考えることができる）、ひいては半減期（t 1/2）を崩壊の測定から計算することができる。放射性原子の半減期の範囲には既知の限界はなく、55桁を超える時間範囲に及ぶ。

すべての化学元素には放射性核種が存在します。最も軽い元素である水素でさえ、よく知られた放射性核種であるトリチウムが存在します（ただし、ヘリウム、リチウム、ホウ素には半減期が1秒を超える放射性核種は存在しません）。鉛より重い元素（Z > 82）、テクネチウム、プロメチウムなどの元素は放射性核種のみで構成され、安定した状態では存在しません。ただし、ビスマスは天然同位体の半減期が現在の宇宙の年齢の1兆倍以上であることから、安定しているものとして扱うことができます。

製造と影響

放射性核種の人工的な製造方法には、原子炉などの中性子源やサイクロトロンなどの粒子加速器などがあります

放射性核種への被曝は、その放射線により、人間を含む生物に有害な影響を及ぼすことが一般的ですが、低レベルの被曝は自然にも起こります。害の程度は、発生する放射線の性質と程度（アルファ線、ベータ線、ガンマ線、または中性子線）、被曝の量と性質（密接な接触、吸入または摂取）、そして元素の生化学的性質（毒性）によって異なります。がんのリスク増加は避けられないと考えられており、最悪の場合、放射線誘発がん、慢性放射線症候群、または急性放射線症候群を発症します。放射性核種は、核兵器のフォールアウト効果や放射線兵器によって兵器化されます。

適切な特性を持つ放射性核種は、核医学において診断と治療の両方に用いられます。放射性核種から作られた画像トレーサーは、放射性トレーサーと呼ばれます。放射性核種療法は放射線療法の一種です。放射性核種から作られた医薬品は、放射性医薬品と呼ばれます。

起源

概要

放射性核種は自然に存在し、原子炉、サイクロトロン、粒子加速器、または放射性核種生成装置で人工的に生成されます。半減期が1時間を超える放射性核種は735種知られています（核種リストを参照）。そのうち35種は地球形成以来存在し続けている原始放射性核種であり、さらに62種は自然界で検出可能で、原始放射性核種の娘核種として、または宇宙放射線によって継続的に生成されています。2400種以上の放射性核種の半減期は60分未満です。それらのほとんどは人工的にのみ生成され、半減期が非常に短いです。比較のために、安定核種は251 種あります

自然

地球上では、自然に発生する放射性核種は、原始放射性核種、二次放射性核種、宇宙線起源放射性核種 の3つのカテゴリーに分類されます

  • 放射性核種は、安定核種とともに、恒星内元素合成や超新星爆発で生成される。ほとんどの核種は急速に崩壊するが、一部は天文学的に観測可能であり、天体物理学的プロセスの解明に役立つ可能性がある。ウランやトリウムなどの原始放射性核種は、半減期が非常に長い（1億年以上）ため、地球の初期組成がまだ完全に崩壊していないため、今も存在している。一部の放射性核種は半減期が非常に長い（宇宙の年齢の何倍も長い）ため、崩壊が最近になってようやく検出されたが、実用上は安定していると見なせる。最も顕著な例としてはビスマス209が挙げられる。この崩壊の検出により、ビスマスはもはや安定しているとは見なされなくなった。現在安定とされている他の核種でも崩壊が観測され、原始放射性核種のリストに追加される可能性がある。[要出典]
  • 二次放射性核種は、原始放射性核種の崩壊によって生成される放射性同位体である。原始放射性核種よりも半減期が短い。これらは、原始同位体であるトリウム232、ウラン238、ウラン235の崩壊系列で生成される。ポロニウムやラジウムなどの天然同位体も含まれる。また、一部は天然核分裂やその他の核生成過程によっても生成される。 [要出典]
  • 炭素14などの宇宙線同位体は、宇宙線の作用により地球上、特に大気中で継続的に生成されているため存在する。[要出典]

これらの放射性核種の多くは、宇宙線生成核種を含め、自然界には微量しか存在しません。崩壊系列における二次放射性核種は、その半減期に比例して発生するため、短寿命の核種は非常に稀です。例えば、ポロニウムはウラン鉱石中に、ポロニウム210とその最終親核種であるウラン238の半減期の比を計算すると、約1/10ウラン（1トンあたり0.1mg）の濃度で存在します。[要出典]

核分裂

放射性核種は、核分裂と核爆発の避けられない結果として生成されます。核分裂の過程では、様々な核分裂生成物が生成されますが、そのほとんどは放射性核種です。さらに、核燃料（様々なアクチニドを生成）や周囲の構造物への照射によっても放射性核種が生成され、放射化生成物が生成されます。異なる化学的性質と放射能を持つ放射性核種の複雑な混合物は、核廃棄物の取り扱いや放射性降下物の処理を特に困難にします。[要出典]

合成

霧箱に挿入されたアメリシウム241放出アルファ粒子

合成放射性核種は原子炉や粒子加速器（必ずしも意図的にではない）で生成されるか、あるいはそれらの崩壊生成物として生成される。 [3]

用途

放射性核種は、主に2つの用途に使用されます。放射線のみ（放射線照射、原子力電池）と、化学的性質と放射線の組み合わせ（トレーサー、バイオ医薬品）です。科学的研究では、その元素の安定した形態が存在しない場合に、化学的性質のみのために使用されることがあります

例

次の表は、選択された放射性核種の特性と用途の範囲を示しています

同位体ZN半減期DMDE
keV		生成モードコメント
トリチウム（3H）1212.3年β −19宇宙生成最も軽い放射性核種。人工核融合に使用され、また、放射線発光や海洋のトランジェントトレーサーとしても使用される。リチウム6または重水素の中性子照射によって合成される
ベリリウム1046138万7000年β −556宇宙生成土壌浸食、レゴリスからの土壌形成、氷床コアの年代を調べるために使用される
炭素14685700年β −156宇宙生成放射性炭素年代測定に使用
フッ素1899110分β +、EC633/1655宇宙生成PETスキャンにおける医療用放射性トレーサーとして使用するために合成された陽電子源
アルミニウム26131371万7000年β +、EC4004宇宙生成岩石、堆積物の露出年代測定
塩素36171930万1000年β − , EC709宇宙生成岩石の曝露年代測定、地下水トレーサー
カリウム4019211.24 × 109歳β − , EC1330/1505原始カリウム-アルゴン年代測定に使用、大気中のアルゴン源、放射性熱源、自然放射能の最大の発生源
カルシウム41202199,400年EC宇宙生成炭酸塩岩の暴露年代測定
コバルト6027335.3年β −2824合成高エネルギーガンマ線を発生し、放射線治療、機器の滅菌、食品の照射に使用されます
クリプトン813645229,000年β +宇宙生成地下水年代測定
ストロンチウム90385228.8年β −546核分裂生成物中半減期の核分裂生成物。おそらく核降下物の中で最も危険な成分
テクネチウム99435621万年β −294核分裂生成物最も軽い不安定元素の最も一般的な同位体であり、長寿命の核分裂生成物の中で最も重要なもの
テクネチウム99m43566時間γ線、IC141合成最も一般的に使用される医療用放射性同位元素。放射性トレーサーとして使用される。
ヨウ素12953761570万年β −194宇宙生成最も長寿命の核分裂生成物; 地下水トレーサー
ヨウ素13153788日β −971核分裂生成物核分裂による最も重大な短期的な健康被害。核医学、産業用トレーサーとして使用される
キセノン13554819.1時間β −1160核分裂生成物最も強力な既知の「核毒」（中性子吸収剤）であり、原子炉の稼働に大きな影響を与えます。
セシウム137558230.2年β −1176核分裂生成物懸念されるその他の主要な中寿命核分裂生成物
ガドリニウム1536489240日EC合成原子力機器の校正、骨密度検査
ビスマス209831262.01 × 1019年α3137原始長い間安定していると考えられていたが、2003年に初めて崩壊が検出された
ポロニウム21084126138日α5307崩壊生成物非常に有毒で、アレクサンドル・リトビネンコの毒殺に使用された。
ラドン222861363.8日α5590崩壊生成物ガスは、電離放射線への公衆被曝の大部分を占め、肺がんの2番目に多い原因である。
トリウム232901421.4 × 1010歳α4083原始トリウム燃料サイクルの基礎
ウラン235921437 × 108歳α4679原始核分裂性、主な核燃料
ウラン238921464.5 × 109歳α4267原始ウランの主な同位体
プルトニウム2389414487.7年α5593合成宇宙船のエネルギー源として放射性同位元素熱電発電機（RTG）や放射性同位元素ヒーターユニットに使用される
プルトニウム2399414524,110年α5245合成ほとんどの現代の核兵器に使用されている
アメリシウム24195146432年α5486合成家庭用煙探知器のイオン化剤として使用される
カリホルニウム252981542.64年α/SF6217合成自発核分裂（崩壊の3%）を起こすため、強力な中性子源となり、原子炉の起爆装置や検出装置として使用されます
ルテチウム177711066.6443(9)日β −497 (78.6%), 384 (9.1%), 176 (12.2%)合成主にソマトスタチン受容体陽性の胃腸膵神経内分泌腫瘍（GEP-NET）に対する標的放射性核種療法（TRT）に使用される。

凡例: Z  = 原子番号、N  = 中性子数、DM = 崩壊モード、DE = 崩壊エネルギー、EC = 電子捕獲

家庭用煙探知器

煙探知器内のアメリシウム241容器
煙探知器に使用されているアメリシウム241カプセル。中央の暗い金属の円がアメリシウム241で、周囲のケースはアルミニウムです。

放射性核種は、最も一般的な家庭用煙感知器の内部で使用されているため、多くの家庭に存在しています。使用されている放射性核種はアメリシウム241で、これは原子炉でプルトニウムに中性子を衝突させることで生成されます。これはアルファ粒子とガンマ線を放出して崩壊し、ネプツニウム237になります。煙感知器は、二酸化アメリシウムの形で非常に少量のアメリシウム241 （煙感知器1台あたり約0.29マイクログラム）を使用します。アメリシウム241は、感知器のイオン化室内の空気をイオン化するアルファ粒子を放出するため使用されます。イオン化された空気に小さな電圧が加えられ、小さな電流が発生します。煙が存在すると、一部のイオンが中和され、それによって電流が減少し、感知器の警報が作動します。[8] [9]

生物への影響

環境に放出された放射性核種は、放射能汚染として有害な影響を及ぼす可能性があります。また、治療中やその他の方法で生物に過剰に使用された場合にも、放射線中毒によって損傷を引き起こす可能性があります。放射性核種への被ばくによる潜在的な健康被害は、多くの要因に依存し、「健康な組織／臓器の機能を損傷する可能性があります。放射線被ばくは、皮膚の発赤や脱毛から、放射線熱傷や急性放射線症候群に至るまで、さまざまな影響を引き起こす可能性があります。長期の被ばくは細胞を損傷し、ひいては癌につながる可能性があります。癌細胞の兆候は、被ばく後数年、あるいは数十年経ってから現れる場合もあります。」[10]

安定核種と放射性核種のクラスの概要表

以下は、半減期が1時間を超える986種の核種をまとめた表です。合計251種の核種は崩壊が観測されておらず、古典的には安定していると考えられています。これらの核種のうち90種は、陽子崩壊（観測されていない）を除いて絶対的に安定であると考えられており、残りの核種は「観測的に安定」しており、理論的には非常に長い半減期を持つ放射性崩壊を起こす可能性があります。[要出典]

残りの表にまとめられた放射性核種は半減期が1時間以上であり、特性がよく分かっています（完全な表については核種リストを参照）。これらには、宇宙の推定年齢（138億年[11]）よりも長い半減期を持つ核種が31種、半減期が十分に長い（1億年超）ため放射性原始核種であり、約46億年前に太陽系が形成される前から星間塵の中に存在して生き残っており、地球上で検出される可能性がある核種が4種含まれています。その他の60種以上の短寿命核種は、長寿命核種の娘核種または宇宙線生成物として自然に検出されます。残りの既知の核種は、人工的な核変換によってのみ知られています。[要出典]

現在安定と分類されている核種の中には、半減期が非常に長い放射性物質であることが観測されているため、将来的には数値が若干変化する可能性がある。[要出典]

これは核種リストに記載されている半減期が1時間を超える核種（安定核種を含む）986核種の概要表[12]です。

安定度クラス核種の数合計累計に関する注記
陽子崩壊以外では理論的に安定9090最初の40元素を含みます。陽子崩壊はまだ観測されていません。
理論的には、アルファ崩壊、ベータ崩壊、異性体遷移、二重ベータ崩壊に対しては安定ですが、自発核分裂は起こりません。これは、ニオブ93以上の「安定」核種では起こり得ます56146完全に安定している可能性のあるすべての核種（質量数232未満の核種では自発核分裂は観測されていない）。
エネルギー的に不安定な1つ以上の既知の崩壊モードを持つが、崩壊はまだ観測されていない。崩壊が検出されるまではすべて「安定」とみなされる。105251古典的に安定な核種の合計
放射性原始核種35286総原始元素には、ウラン、トリウム、ビスマス、ルビジウム-87、カリウム-40、テルル-128、およびすべての安定核種が含まれます。
放射性物質は原始的ではないが、地球上で自然に発生する62348炭素14（および宇宙線によって生成された他の同位体）、ラジウムやポロニウムなどの放射性原始元素の娘核種（そのうち32種は半減期が1時間以上）も長寿命核分裂生成物です
放射性合成半減期 ≥ 1.0 時間)。最も有用な放射性トレーサーが含まれています。638986これらは核種リストの残りを構成します
放射性合成物（半減期 < 1.0 時間）。>2400>3300十分に特性が解明されたすべての合成核種を含みます

参照

注記

  1. ^ 「崩壊と半減期」 。 2009年12月14日閲覧
  2. ^ Loveland, W.; Morrissey, D.; Seaborg, GT (2006). Modern Nuclear Chemistry . Wiley-Interscience. p. 57. Bibcode :2005mnc..book.....L. ISBN 978-0-471-11532-8。
  3. ^ 「放射性同位元素」www.iaea.org 2016年7月15日2023年6月25日閲覧
  4. ^ Ingvar, David H. [スウェーデン語] ; Lassen, Niels A. (1961). 「ヒトにおける局所脳血流の定量的測定」 . The Lancet . 278 (7206): 806– 807. doi :10.1016/s0140-6736(61)91092-3.
  5. ^ Ingvar, David H. [スウェーデン語] ; Franzén, Göran (1974). 「慢性統合失調症における脳活動の分布」 . The Lancet . 304 (7895): 1484– 1486. doi :10.1016/s0140-6736(74)90221-9. PMID  4140398.
  6. ^ Lassen, Niels A. ; Ingvar, David H. [スウェーデン語] ; Skinhøj, Erik [デンマーク語] (1978年10月). 「脳機能と血流」. Scientific American . 239 (4): 62– 71. Bibcode :1978SciAm.239d..62L. doi :10.1038/scientificamerican1078-62. PMID  705327.
  7. ^ Severijns, Nathal; Beck, Marcus; Naviliat-Cuncic, Oscar (2006). 「原子核ベータ崩壊における標準電弱模型の検証」Reviews of Modern Physics . 78 (3): 991– 1040. arXiv : nucl-ex/0605029 . Bibcode :2006RvMP...78..991S. doi :10.1103/RevModPhys.78.991. S2CID  18494258.
  8. ^ 「煙探知機とアメリシウム」world-nuclear.org 2010年11月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  9. ^ 放射線防護局 – Am 241 ファクトシート – ワシントン州保健局 2011年3月18日アーカイブ - Wayback Machine
  10. ^ 「電離放射線、健康への影響、および防護対策」世界保健機関、2012年11月。 2014年1月27日閲覧。
  11. ^ 「Cosmic Detectives」. 欧州宇宙機関 (ESA). 2013年4月2日. 2013年4月15日閲覧。
  12. ^ 表のデータはリストのメンバーを数えることによって算出されています。WP :CALCを参照してください。リストデータ自体の参考文献は、核種リストの参考文献セクションに記載されています。

参考文献

  • Carlsson, J.; Forssell Aronsson, E.; Hietala, SO.; Stigbrand, T.; Tennvall, J.; et al. (2003). 「放射性核種による腫瘍治療：進歩と問題点の評価」.放射線治療と腫瘍学. 66 (2): 107–117 . doi :10.1016/S0167-8140(02)00374-2. PMID  12648782
  • 「産業における放射性同位元素」世界原子力協会。2013年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年5月2日閲覧。
  • マーティン、ジェームズ（2006年）『放射線防護のための物理学：ハンドブック』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、p.130、ISBN 978-3527406111。

参考文献

  • Luig, H.; Kellerer, AM; Griebel, JR (2011). 「放射性核種 1. 序論」. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi :10.1002/14356007.a22_499.pub2. ISBN 978-3527306732。
ウィキメディア・コモンズには、放射性核種に関連するメディアがあります。
  • EPA – 放射性核種 – EPA の放射線防護プログラム: 情報。
  • FDA – 放射性核種 – FDA の放射線防護プログラム: 情報。
  • 核種のインタラクティブチャート – すべての核種のチャート
  • 国立同位元素開発センター – 米国政府の放射性核種の供給源 – 生産、研究、開発、配布、および情報
  • 核種のライブチャート – IAEA
  • 放射性核種製造シミュレーター – IAEA
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