【放射化学】核反応に関わる粒子の種類・核反応式 - 化学徒の備忘録(かがろく)|化学系ブログ

核反応に関わる粒子の種類

核反応には多くの粒子が関わります。

最も一般的なものは、図1に示すように、陽子、中性子、アルファ粒子、ベータ粒子、陽電子、ガンマ線です。陽子（ $\rm ^1_1p$ 、 $\rm ^1_1H$ とも表される）と中性子（ $\rm ^1_0n$ ）は原子核の構成要素です。

アルファ粒子（ $\rm ^4_2He$ 、 $\rm ^4_2 \alpha$ で表される）は、高エネルギーのヘリウム原子核です。

ベータ粒子（ $\rm ^0_{-1} \beta$ 、 $\rm ^0_{-1} e$ で表される）は高エネルギーの電子で、ガンマ線は非常に高エネルギーの電磁波の光子です。

陽電子（ $\rm ^0_{+1} e$ 、 $\rm ^0_{+1} \beta$ とも表される）は正電荷の電子（反電子）です。

図1 参考文献より改変

陽電子は、電荷が反対であることを除けば、電子と全く同じです。

陽電子は反物質の最も一般的な例で、質量は同じだが別の性質（例えば電荷）が通常の物質とは反対の状態にある粒子です。反物質が普通の物質と出会うと、質量とエネルギーの等価式 $E=mc^2$ に従って、両者は消滅し、その質量はガンマ線（γ）やもっと小さな粒子の形でエネルギーに変換されます。

例えば、陽電子と電子が衝突すると、両者は消滅し、2個のガンマ線が生成されます。

$^0_{-1}e+^0_{+1}e \rightarrow \gamma + \gamma$

ガンマ線は短波長の高エネルギーの電磁波で、よく知られたX線よりもエネルギーが高いものです。ガンマ線は、原子核が高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ遷移するときに発生する高エネルギー電磁波の一種であり、電子が高いエネルギーレベルから低いエネルギーレベルへ遷移するときに光子が発生するのと同じようなものです。

原子核のエネルギー殻間のエネルギー差が大きいため、原子核から放射されるガンマ線のエネルギーは、電子遷移から放射される電磁波の数百万倍にもなります。

核反応

化学反応平衡式は、化学反応中に結合が切れたり形成されたり、原子が並べ替えられたりします。しかし、各元素の原子の総数は保存され、変化しません。一方で、核反応式は、核反応の際に、原子ではなく核子（原子の原子核の中にある素粒子）の転位があることを示します。ただし、核反応も保存則に従っており、2つの法則でバランスをとります。

反応物の質量数の和は生成物の質量数の和に等しい。

反応物の電荷の和が生成物の電荷の和に等しい。

核反応中の粒子のうち1つを除くすべての原子番号と質量数がわかっている場合は、反応のバランスをとることでその粒子を特定することができます。

例えば、陽子 $\rm ^1_{1}H$ が2つの生成物のうちの1つであることがわかれば、 $\rm ^{17}_{8}O$ が $\rm ^{14}_{7}N$ と $\rm ^{4}_{2}He$ の核反応の生成物であることを特定することができます。