D05　α壊変

たなまる — Tue, 20 Oct 2026 09:33:32 +0000

放射性壊変にはいくつかの種類があり、その代表的なものの一つが「α壊変」です。

α壊変では、原子核からα粒子が放出され、別の原子核へと変化します。
では、α壊変はどのような原子核で起こり、放出されるα粒子のエネルギーにはどのような特徴があるのでしょうか。

今回は、α壊変の仕組みから壊変エネルギーの分配までを見ていきましょう。

α壊変の特徴

α壊変は、放射性壊変の代表的な形式の一つです。
原子核からα粒子が放出されることで、原子番号と質量数が変化します。

まずは、α壊変の基本的な仕組みと特徴から見ていきましょう。

α壊変の仕組み

α壊変とは、不安定な原子核がα粒子を放出し、別の原子核へと変化する現象です。

α粒子の正体は、質量数4、原子番号2のヘリウム原子核です。
陽子2個と中性子2個で構成されており、電子を持たないため、電荷は＋2となります。

α壊変が起こると、原子核から陽子2個と中性子2個が失われるため、娘核種の質量数は4減少し、原子番号は2減少します。

例えば、ラジウム226がα壊変すると、ラドン222へと変化します。

²²⁶Ra → ²²²Rn ＋ ⁴He

このように、α壊変では元素そのものが別の元素へと変化するのが特徴です。

α壊変が起こりやすい原子核

α壊変は、原子番号の大きい核種で起こりやすい壊変形式です。

特に、ウランやラジウムなどの重い原子核で多く見られます。

原子番号が大きくなると、原子核内の陽子の数が増え、陽子同士の電気的な反発力も大きくなります。
そのため、重い原子核の中には、α粒子を放出することで、より安定した状態へ変化するものがあります。

α壊変によるエネルギーの放出

放射性壊変の際に放出されるエネルギーを、壊変エネルギーといいます。
壊変エネルギーは、記号Qで表されるため、Q値とも呼ばれます。

壊変前後では原子核の質量が変化し、その質量差に相当するエネルギーが放出されます。

α壊変の場合、壊変エネルギーは娘核種の運動エネルギーに変換され、その分配比率は核種の種類によって異なります。

α壊変で放出されるα粒子のエネルギーは、多くの場合4〜9MeV程度です。

また、α壊変では特定のエネルギーを持つα粒子が放出されるため、α粒子のエネルギースペクトルは線スペクトルとなります。

これは、原子核のエネルギー状態が連続的ではなく、決まった値を持つためです。

α粒子のエネルギーと壊変定数

α壊変で放出されるα粒子のエネルギーは、核種によって異なります。
そして、このエネルギーの大きさは、壊変の起こりやすさとも深い関係があります。

ここでは、α粒子のエネルギーと壊変定数の関係、さらにα粒子が原子核の外へ放出される仕組みを見ていきましょう。

ガイガー・ヌッタルの法則

α壊変では、放出されるα粒子のエネルギーが大きい核種ほど、壊変が起こりやすいという特徴があります。

つまり、壊変定数の大きい核種ほど、半減期が短く、放出するα粒子のエネルギーが大きくなります。

この関係を、ガイガー・ヌッタルの法則といいます。

壊変定数とは、単位時間あたりに原子核が壊変する確率を表す量です。
壊変定数が大きいほど壊変が起こりやすく、半減期は短くなります。

したがって、ガイガー・ヌッタルの法則では、次の関係が成り立ちます。

α粒子のエネルギーが大きい → 壊変定数が大きい → 半減期が短い
α粒子のエネルギーが小さい → 壊変定数が小さい → 半減期が長い

α粒子のエネルギーと半減期には、このような関係があることを覚えておきましょう。

トンネル効果

では、α粒子はどのようにして原子核の外へ放出されるのでしょうか。

原子核の内部では、α粒子は核力によって閉じ込められています。
さらに、α粒子と娘核種はどちらも正の電荷を持っているため、原子核の外へ出るには、電気的な反発力によるエネルギーの壁を越える必要があります。

この壁を「クーロン障壁」といいます。

α粒子のエネルギーは一般に4〜9MeV程度ですが、クーロン障壁の高さは25MeV程度以上です。

普通に考えれば、エネルギーが足りないα粒子は、この壁を越えられないはずですよね。

ところが、量子力学の世界では、粒子がエネルギーの壁を越えるだけのエネルギーを持っていなくても、一定の確率で壁を通り抜けることがあります。

この現象を、トンネル効果といいます。

α粒子は、このトンネル効果によって原子核の外へ放出されるのです。

また、α粒子のエネルギーが大きいほど、クーロン障壁を通り抜ける確率も高くなります。

これが、α粒子のエネルギーが大きい核種ほど壊変定数が大きくなる理由です。

どうやって穴掘るんや？

いやいや。
掘っているように見えるだけで、実際には掘ってないよ。

なんや。
ガテン系やと思たのに。

α壊変のQ値とエネルギー分配

α壊変では、α粒子だけでなく、娘核種も運動エネルギーを持ちます。
では、壊変によって放出されたエネルギーは、α粒子と娘核種にどのような割合で分配されるのでしょうか。

ここでは、壊変エネルギーの分配について、実際の計算例を使って見ていきましょう。

壊変エネルギーとQ値

放射性壊変の際に放出されるエネルギーを壊変エネルギーといい、Q値とも呼びます。

α壊変では、壊変前後の質量差に相当するエネルギーが、α粒子と娘核種の運動エネルギーに分配されます。

例えば、壊変前の原子核が静止していて、娘核種が励起されない場合、Q値は次のように表せます。

Q = Eα + E娘核種

つまり、α粒子と娘核種が持つ運動エネルギーを合計すると、Q値になるということです。

質量数の逆比によるエネルギー分配

α壊変のQ値は、α粒子と娘核種の質量数の逆比で分配されます。

これは、運動量保存の法則によるものです。

壊変前の原子核が静止している場合、α粒子と娘核種は互いに反対方向へ飛び出します。
このとき、両者の運動量の大きさは等しくなります。

運動量 $ p $ は「 $ p=mv $ 」で求められるため、質量が小さいα粒子ほど、速度が大きくなるのです。
※mは質量、ｖは速度です。

一方、運動エネルギーは「質量×速度の2乗÷2」で求められます。

$$
E=\frac{1}{2}mv^2
$$

つまり、運動エネルギーには速度が2乗で影響するため、質量の小さいα粒子の方が大きな運動エネルギーを持つことになります。

実際に、運動量をp、質量をmとすると、運動エネルギーEは次のように表せます。

$$
E = \frac{p²} {2m}
$$

この式から、運動量が等しい場合、運動エネルギーは質量に反比例することがわかります。

例えば、娘核種の質量数が143の場合、α粒子の質量数は4なので、運動エネルギーの比率は次のようになります。

娘核種：α粒子 = 4：143

このように、α壊変では質量の小さいα粒子がQ値の大部分を受け取り、質量の大きい娘核種にはわずかなエネルギーしか分配されません。

なんかイメージしにくいな・・・

じゃ、私と牛助ちゃんで尻相撲したらどうなる？

そら、軽い方が吹っ飛ぶやろな。

そういうこと。
お互いに押し合うと、軽い方が早く動くんだ。

ほな、オレが吹っ飛ぶやん！

牛助ちゃん・・・

サマリウム147のα壊変と計算例

実際に、サマリウム147がα壊変してネオジム143になる場合を考えてみましょう。

サマリウム147は、α粒子を放出することでネオジム143へと変化します。

¹⁴⁷Sm → ¹⁴³Nd + ⁴He + 2.23 MeV

この壊変のQ値は2.23MeVです。

娘核種とα粒子の質量数の比率は143：4なので、Q値の分配比は4：143になります。

したがって、α粒子の運動エネルギーEαは、次のように求められます。

$$
\begin{aligned}
E_α&=2.23 \times \frac{143}{143+4} \\[6pt]
&=2.17 \mathrm{[MeV]}
\end{aligned}
$$

一方、娘核種の運動エネルギーE娘核種は、次のようになります。

$$
\begin{aligned}
E_娘&=2.23 \times \frac{4}{143+4} \\[6pt]
&=0.06 \mathrm{[MeV]}
\end{aligned}
$$

壊変エネルギーは核種によって決まった値になり、その比率も質量数で固定されます。
ゆえにα粒子の運動エネルギーは1つに定まり、線スペクトルを示すことにもつながります。

実際の過去問を見てみよう

2015年に実施された第67回国家試験からAM72のご紹介。
ただし、複数解だったため、オリジナルより加工してあります。

α崩壊で正しいのはどれか。2つ選べ。

天然に存在する系列には2つの種類がある。
娘核とα粒子の質量の和は親核の質量に等しい。
クーロン障壁のエネルギーよりも小さくても生じる。
トンネル効果は量子力学で説明することができる。
放射されるα粒子の運動エネルギーは連続スペクトルとなる。

答えを確認する。

運動量保存の法則 | 勉強嫌いの放物

D05 α壊変