教科書(物理) 類題6:α崩壊とβ崩壊

解法

直感的理解

α崩壊では原子番号が2減り質量数が4減ります。β崩壊では原子番号が1増え質量数は変わりません。この規則で崩壊系列を追跡できます。

Step 1:α崩壊とβ崩壊の変化

Step 2:連立方程式

α崩壊 \(x\) 回、β崩壊 \(y\) 回とすると:

質量数の条件(α崩壊1回で質量数が4減る):

$$ 235 - 4x = 207 $$ $$ 4x = 235 - 207 = 28 $$ $$ x = 7 $$

原子番号の条件(α崩壊1回で原子番号が2減り、β崩壊1回で1増える):

$$ 92 - 2x + y = 82 $$

\(x = 7\) を代入:

$$ 92 - 2 \times 7 + y = 82 \quad \Rightarrow \quad 92 - 14 + y = 82 \quad \Rightarrow \quad y = 4 $$

Step 3:検算

α粒子1個の質量は約 4.0026 u \(\fallingdotseq 6.64 \times 10^{-27}\) kg、β粒子(電子)の質量は約 \(9.11 \times 10^{-31}\) kg。α崩壊7回で放出されるα粒子の総質量:

$$ 7 \times 4.0026 \;\text{u} = 28.018 \;\text{u} \fallingdotseq 4.65 \times 10^{-26} \;\text{kg} $$

質量数の変化 \(235 - 207 = 28\) と整合し、原子番号の変化 \(92 - 82 = 10 = 2 \times 7 - 4\) も一致する。

答え:
$${}^{235}_{92}\text{U} \xrightarrow{\alpha \times 7,\;\beta \times 4} {}^{207}_{82}\text{Pb}$$

α崩壊 7 回、β崩壊 4 回で \({}^{207}\text{Pb}\)(鉛207)になる。

補足:天然の崩壊系列

天然には4つの崩壊系列(トリウム系列・ウラン系列・アクチニウム系列・ネプツニウム系列)が知られています。\({}^{235}\text{U}\) はアクチニウム系列に属し、最終的に安定な \({}^{207}\text{Pb}\) に到達します。

Point

質量数の変化からα崩壊の回数を先に求め、次に原子番号の変化からβ崩壊の回数を求めるのが効率的です。