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原子核物理学

索引 原子核物理学

原子核物理学(げんしかくぶつりがく、英語:nuclear physics、単に核物理とも言う):強い相互作用に従う粒子の多体問題を研究する学問領域。主に原子核の核構造、核反応(核分裂反応、核融合反応)などを扱う分野のこと。また、核物質・ハドロン物質の性質を調べるハドロン物理学も、この分野の一部である。 構成要素が2種類(注・ハイパー核はさらに数種類の構成要素が加わる)であるにもかかわらず、陽子・中性子それぞれの数や励起のさせ方により、様々な構造を取るのが特徴である。核子の主要な相互作用である「強い相互作用」が未だ完全に解明されていないこと、物性理論のように構成粒子が無限であるという近似が許されないこと、表面の効果が重要であること等により、発見から1世紀近く経つにもかかわらず、未知の部分が残されており、理論実験ともに盛んに研究が行われている。.

40 関係: AMD模型励起状態基底状態原子核多体問題不安定核中性子過剰核中性子星三体力平均場近似強い相互作用ペンタクォークハドロンハドロン物理学ハイペロンハイパー核バリオンカイラル対称性ガンマ線クォークグルーオンプラズマストレンジネス物理学相転移魔法数超重核量子色力学英語集団運動模型核子核分裂反応核破砕反応核燃料核融合反応核構造核構造物理学格子ゲージ理論殻模型液滴模型摂動放射性崩壊

AMD模型

AMD模型(AMDもけい)とは原子核の性質を記述するモデルのひとつである。AMDとは、“反対称化分子動力学”(Antisymmetrized Molecular Dynamics) の略である。.

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励起状態

励起状態(れいきじょうたい、excited state)とは、量子力学において系のハミルトニアンの固有状態のうち、基底状態でない状態のこと。.

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基底状態

基底状態(きていじょうたい、)とは、系の固有状態の内で最低のエネルギーの状態をいう。 古典力学では系の取りうるエネルギーは連続して存在するはずだが、ミクロの世界では量子力学によりエネルギーはとびとびの値を取る。その中で最低エネルギーの状態を基底状態とよび、それ以外の状態は励起状態とよぶ。 分子のような少数多体系であれば、基底状態は絶対零度の波動関数を意味する。しかし固体物理学では、有限温度での状態に対しても、素励起がなく、量子統計力学で記述される熱平衡状態をもって基底状態ということがある。これらは厳密には区別すべきものである。.

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原子核

原子核(げんしかく、atomic nucleus)は、単に核(かく、nucleus)ともいい、電子と共に原子を構成している。原子の中心に位置する核子の塊であり、正の電荷を帯びている。核子は、基本的には陽子と中性子から成っているが、通常の水素原子(軽水素)のみ、陽子1個だけである。陽子と中性子の個数、すなわち質量数によって原子核の種類(核種)が決まる。 原子核の質量を半経験的に説明する、ヴァイツゼッカー=ベーテの質量公式(原子核質量公式、他により改良された公式が存在する)がある。.

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多体問題

多体問題(たたいもんだい、N‐body problem)は、互いに相互作用する3体以上からなる系を扱う問題である。.

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不安定核

不安定核(ふあんていかく)は、陽子と中性子のどちらかが過剰なせいで、短命な核種。エキゾチック核ともいう。 原子核は陽子と中性子で構成され、軽く安定な原子核でのその比はおおよそ1対1である(質量数の大きい原子核では陽子間のクーロン力のためエネルギーを損して中性子の方が多くなる)。 中性子数が通常より多いものを中性子過剰核、陽子数が通常より多いものを陽子過剰核と呼び、今までの安定核の物理には見られなかった現象、例えば中性子ハローや中性子スキンの存在、魔法数の変化などが確認されている。 これらの原子核は主に核分裂の際の分裂破片中に含まれていることが知られていた。RIビームの手法を用いて重イオン加速器を使ってエキゾチック原子核を系統的に合成することが可能となり、その性質を詳しく調べていくことが可能となってきている。 r過程は不安定核を経由して起きる過程と考えられており、宇宙における元素合成や、星の生成に関するメカニズムなどの研究にも密接な関わりを持っている。 Category:同位体.

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中性子過剰核

中性子過剰核(ちゅうせいしかじょうかく)とは、不安定核の一形態で、同じ陽子数の安定同位体と比較して中性子を多く含んだ核種を指す。.

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中性子星

'''中性子星''' 右上方向にジェットを放出するほ座のベラ・パルサー。中性子星自体は内部に存在し、ガスに遮蔽されて見えない 中性子星(ちゅうせいしせい、)とは、質量の大きな恒星が進化した最晩年の天体の一種である。.

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三体力

三体力は、二体系では存在しないのに三体系になると現われる力である。一般的に、多体系のふるまいが系内のあらゆる組み合わせの二体間の相互作用の総和という第一近似では記述できない場合、そこからのずれが主に三体力に起因する。 基本相互作用の一つ、強い相互作用はこのようなふるまいを示す。その最も重要な例がヘリウム3同位体の実験的に観測される安定性である。これは、二つの陽子と一つの中性子からなる三体量子クラスター が安定な重ね合わせとなっている、と説明される。ヘリウム3において三体力が働いているとことを直接的に示す証拠が知られている。安定な クラスターの存在は、殻内の核子間相互作用が二体力に留まるとする原子核モデルでは説明がつかない。基本相互作用として三核子力が存立しうることは、強い相互作用を媒介するグルーオンが、グルーオン同士で結合しうることに起因する。素粒子物理学では、ハドロンを構成する三つのクォークは、三体力を仮定したのと同等のダイクォークモデルにより説明される。原子核物理学の分野では、様々な同位体の原子核内の核子間相互作用に三体力(三核子力)が含まれることを示す証拠が次々と見つかっている。.

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平均場近似

平均場近似(へいきんばきんじ、Mean field approximation)とは多体問題を一体問題に帰着させる近似のことである。 名称に関しては、元々は分子場近似(Molecular field approximation)と呼ばれていたが、現在では平均場近似と呼ばれることの方が多い。これとほぼ同義な呼び方として、一体近似、有効媒質近似(Effective medium approximation)などがある。.

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強い相互作用

強い相互作用(つよいそうごさよう、Strong interaction)は、基本相互作用の一つである。ハドロン間の相互作用や、原子核内の各核子同士を結合している力(核力)を指し、標準模型においては量子色力学によって記述される。強い力、強い核力とも。その名の通り電磁相互作用に比べて約137倍の強さがある。 強い相互作用の理解は、歴史的には湯川秀樹による、パイ中間子の交換によって核子に働く核力の説明に始まるが、1970年代前半の量子色力学の成立によって、ゲージ理論として完成した。.

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ペンタクォーク

ペンタクォーク(Pentaquark)はクォーク4個と反クォーク1個によって構成されているとされる重粒子(バリオン)。(普通のバリオンはクォーク3個、中間子はクォークと反クォークの対で構成されている。)2015年のCERNの調査で実在する事が判明した。 ペンタクォークの最初の候補はΘ+と名付けられており、これは2つずつのu,dクォークと、1つの反sクォークから成る。よってバリオン数が+1、ストレンジネスも+1の粒子であるとされる。この量子数の組み合わせはクォーク3個では実現できないので、もしその存在が確認されれば少なくともクォーク4個と反クォーク1個から構成されていると判る。 ペンタクォークΘ+の存在については、もともとマキシム・ポリャコフ(Maxim Polyakov)、ドミトリー・ディヤコノフ(Dmitri Diakonov)、ビクター・ペトロフ(Victor Petrov)らがロシアのペテルブルク核物理学研究所(PNPI)で1997年に仮説を発表していたが、懐疑的に思われていた。 ペンタクォークΘ+の存在は、2003年7月に大阪大学の中野貴志教授らが大型放射光施設SPring-8における実験で報告した。アメリカのにてケン・ヒックス(Kenneth Hicks)らに追認されたとされていたが、後者のグループは後に同じ実験手法で統計を10倍に高めた実験では存在を確認できないと報告していた。.

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ハドロン

ハドロン (hadron) は、素粒子標準模型において強い相互作用で結びついた複合粒子のグループである。 強粒子とも訳されるが、現代では素粒子物理学者がこの和名で呼ぶことはほとんどない。 この名称は、ギリシャ語の「強い」の意のἁδρόςに由来し、1962年にレフ・オクンによって付けられた。.

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ハドロン物理学

ハドロン物理学(ハドロンぶつりがく、Hadron physics)は、原子核を構成するバリオンやバリオン間の力を媒介するメソンといったハドロンの性質を、素粒子物理学の立場から強い相互作用を説明する量子色力学(QCD)を用いた解析により、クォークの多体系として解明しようとする物理学の一分野である。 研究対象とする物質の種類から一般に原子核物理学の一分野と位置づけられるが、理論的手法は素粒子物理学の基礎となる場の量子論に基づいており、言わばこれらの横断的研究領域である。.

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ハイペロン

ハイペロン(hyperon)は、ストレンジクォークを含むが、チャームクォーク、ボトムクォークおよびトップクォークを含まないバリオンである。言い換えると、ストレンジネスを持つが、チャーム、ボトムネス、トップネスを持たないバリオンである。.

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ハイパー核

ハイパー核(ハイパーかく、Hypernucleus)とはストレンジネスを持つバリオンであるハイペロンを含んだ原子核の総称である。 通常の原子核は核子(中性子と陽子)の結合状態と考えられている。核子は、6種類のクォークのうち、アップクォークとダウンクォークという2種計3個のクォークだけから構成されているバリオン(重粒子)である。これに対して、ストレンジクォークを含んでいるバリオンをハイペロン(重核子)といい、ハイペロンを含む原子核の事をハイパー核という。この様に、素粒子物理学では、接頭語句ハイパー(hyper-)はストレンジクォークを含む粒子全般に使われる。というのも、ストレンジはアップやダウンに比べて、遥かに静止質量が大きいクォークだからである。なお、チャームクォークを含むバリオンはスーペロン、それを含む原子核をスーパー核という。 これらハイペロンは、アイソスピンとsクォークの数で分類され、以下の種類が存在する。 そして、これら(Λ,Σ,Ξ,Ω)は陽子p、中性子nとあわせてバリオン八重項を成している。また、核子と違ってハイペロンの寿命は全てns以下という短寿命である。従って、ハイパー核は不安定な原子核であり、安定した状態では存在出来ない(ただし、中性子星の内部に安定状態での存在が期待されている)。 ハイペロンの中で最初に発見されたΛは、1953年に宇宙線に曝したエマルションに写っていた事象(event)から質量欠損を求める事で発見された。その後、宇宙線を利用した様々なハイパー核研究が行われたが、宇宙線は制御出来ない高エネルギー粒子であるので、現在はそのほとんどが加速器を使って行われている。 この様なハイパー核を研究する事で主に以下の情報を得る事が出来る。 (a)、YN相互作用 (b)、核構造 (a)、YN相互作用とはハイペロン-核子間に働く強い相互作用(強い力)の事である。この強い相互作用は未だ完全には解明されていない相互作用であり、NN(核子-核子間)相互作用は既に良く調べられている。それに対してYN相互作用はハイペロンの種類によってその力の大きさは異なり、更には斥力になるものもあると予想されている。従って、様々なYN相互作用を調べる事は強い相互作用の解明に非常に大きな役割を果たすものと期待されている。 (b)、核構造は液滴模型や殻模型など様々なモデルが提唱されて来た。それは非常に高密度な物質である原子核の内部を調べる事が非常に困難であったからである。それに対して、核子と異なる量子数を持つハイペロンはパウリの排他律を受けないので、核深部に束縛する事が出来る。従って、ハイペロンが核内のどこに束縛されたのかを調べる事は核構造を明らかにする上で非常に強力な手法である(これはハイペロンが核子とは異物であるからこそ出来る事である)。 この様なハイパー核研究はハイパー核分光 (Hypernuclear spectroscopy)と呼ばれる。これは、生成されたハイパー核のエネルギー準位を調べることを分光学になぞらえた物である。現在主に行われているハイパー核分光の実験は、.

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バリオン

バリオン(baryon)とは、3つのクォークから構成される亜原子粒子である。素粒子物理学の標準模型では、ハドロンの一種である。重粒子(じゅうりゅうし)とも言う。.

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カイラル対称性

イラル対称性(カイラルたいしょうせい、chiral symmetry)とは、量子色力学 (QCD) において、クォークのフレーバーを右巻きスピン成分と左巻きスピン成分で独立に変換する近似的な対称性である(スピンの右巻き、左巻きについてはカイラリティを参照のこと)。QCDのダイナミクスにより、カイラル対称性には自発的対称性の破れが起き、ハドロンに大きい質量を与える。なお、南部、ヨナラシニオが自発的対称性の破れの概念を最初に提唱した際に扱われた対称性は、このカイラル対称性である。 物質に質量を与える機構は、他にヒッグス場との相互作用があるが、ハドロンである陽子や中性子の質量(1GeV程度)に関しては,それらを構成するアップクォーク、ダウンクォークがヒッグス場との湯川相互作用により与えられる質量自身は数MeV程度であり、ハドロン質量全体の2%程度に過ぎない。残りの98%はカイラル対称性の破れによるものである。.

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ガンマ線

ンマ線(ガンマせん、γ線、gamma ray)は、放射線の一種。その実体は、波長がおよそ 10 pm よりも短い電磁波である。 ガンマ線.

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クォークグルーオンプラズマ

ークグルーオンプラズマ (Quark-Gluon Plasma, QGP) とは、高温・高密度状態において存在すると予想されているクォークおよびグルーオンからなるプラズマ状態である。高密度状態におけるハドロンからのクォークの解放は1975年にJohn C. CollinsとMalcolm John Perryによって予言され、同年、高温状態におけるクォークの解放がニコラ・カビボとGiorgio Parisiによって予言された。.

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ストレンジネス

トレンジネス (strangeness) S は、素粒子の性質を表す量子数の一つである。.

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物理学

物理学(ぶつりがく, )は、自然科学の一分野である。自然界に見られる現象には、人間の恣意的な解釈に依らない普遍的な法則があると考え、自然界の現象とその性質を、物質とその間に働く相互作用によって理解すること(力学的理解)、および物質をより基本的な要素に還元して理解すること(原子論的理解)を目的とする。化学、生物学、地学などほかの自然科学に比べ数学との親和性が非常に強い。 古代ギリシアの自然学 にその源があり, という言葉も、元々は自然についての一般的な知識の追求を意味しており、天体現象から生物現象までを含む幅広い概念だった。現在の物理現象のみを追求する として自然哲学から独立した意味を持つようになったのは19世紀からである。 物理学の古典的な研究分野は、物体の運動、光と色彩、音響、電気と磁気、熱、波動、天体の諸現象(物理現象)である。.

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相転移

転移(そうてんい、英語:phase transition)とは、ある系の相(phase)が別の相へ変わることを指す。しばしば相変態(そうへんたい、英語:phase transformation)とも呼ばれる。熱力学または統計力学において、相はある特徴を持った系の安定な状態の集合として定義される。一般には物質の三態(固体・固相、液体・液相、気体・気相)の相互変化として理解されるが、同相の物質中の物性変化(結晶構造や密度、磁性など)や基底状態の変化に対しても用いられる。相転移に現れる現象も単に「相転移」と呼ぶことがある。.

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魔法数

法数(まほうすう)とは、原子核が特に安定となる陽子と中性子の個数のことをいう。陽子数または中性子数が魔法数である核種を魔法核と呼ぶ。 核構造のシェルモデルでは、殻(シェル)が「閉じている」状態(閉殻)は安定性が高く、崩壊や核分裂が起きにくくなる。計算上特定の値が該当し、魔法数となる。陽子と中性子はよく似ているので同じ値となる。 現在、広く承認されている魔法数は 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 の7つで、原子番号がこれらにあたる元素は、周辺の元素に比べて多くの安定同位体を持っている。中性子数がこれに該当する同中性子体についても同様で、例えば核種の一覧を見ると、縦の20と横の20には安定同位体が並んでいるのがわかる。 一部の中性子過剰核では、8, 20, 28は消えて、別の魔法数である 6, 16, 32, 34 が現れる事が研究によって示されている。この領域のことを反転の島(Island of inversion)と呼ぶ。(50、82は維持される)。また、最近の研究から、中性子過剰な炭素同位体の陽子数6が魔法数である事が明らかになった。 魔法数は1949年にマリア・ゲッパート=メイヤーとヨハネス・ハンス・イェンゼンによって理論的な説明が成され、ノーベル賞授与対象となった。.

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超重核

超重核(ちょうじゅうかく)とは、自然界に存在しない非常に重い原子核の呼称である。.

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量子色力学

量子色力学(りょうしいろりきがく、、略称: QCD)とは、素粒子物理学において、SU(3)ゲージ対称性に基づき、強い相互作用を記述する場の量子論である。.

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英語

アメリカ英語とイギリス英語は特徴がある 英語(えいご、)は、イ・ヨーロッパ語族のゲルマン語派に属し、イギリス・イングランド地方を発祥とする言語である。.

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集団運動模型

集団運動模型(しゅうだんうんどうもけい)とは原子核の性質を記述するモデルのひとつである。.

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核子

核子(かくし、nucleon)は、原子核を構成する陽子と中性子の総称。原子の原子核は陽子と中性子により構成されていることにより、これらを総称して核子と呼ぶ。陽子も中性子もバリオンの一種であるため、核子もまたバリオンの一種である。 核子はダウンクォーク(d)とアップクォーク(u)により構成される(中性子は2個のdと1個のu、陽子は1個のdと2個のu)。これに対し、ストレンジという重いクォークを含んだ重いバリオンをハイペロンと呼び、Λ(アイソスピン0、uds), Σ(アイソスピン1、uus, uds, dds), Ξ(アイソスピン1/2、uss, dss), Ω(アイソスピン0, sss)と呼ばれる。また、原子核を構成する粒子にハイペロンを含んだ核をハイパー核と呼ぶ。.

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核分裂反応

核分裂反応(かくぶんれつはんのう、nuclear fission)とは、不安定核(重い原子核や陽子過剰核、中性子過剰核など)が分裂してより軽い元素を二つ以上作る反応のことを指す。オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンらが天然ウランに低速中性子(slow neutron)を照射し、反応生成物にバリウムの同位体を見出したことにより発見され、リーゼ・マイトナーとオットー・ロベルト・フリッシュらが核分裂反応であると解釈し、fission(核分裂)と命名した。.

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核破砕反応

核破砕反応(かくはさいはんのう、nuclear spallation reaction)とは、加速した原子核が標的原子核にあたったとき複数の破砕片に崩壊するような反応を言う。.

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核燃料

核燃料(かくねんりょう、nuclear fuel)とは、核分裂連鎖反応を起こし、エネルギーを発生させるために相当期間原子炉に入れて使うものを言う。ウラン233 (U)、ウラン235 (U)、プルトニウム239 (Pu) などを指す。.

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核融合反応

核融合反応(かくゆうごうはんのう、nuclear fusion reaction)とは、軽い核種同士が融合してより重い核種になる核反応を言う。単に核融合と呼ばれることも多い。.

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核構造

核構造(かくこうぞう)とは、原子核の構造を言う。.

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核構造物理学

核構造物理学(かくこうぞうぶつりがく、Nuclear Structure Physics)とは、主として原子核の構造に関する事項を扱う物理学の一分野。.

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格子ゲージ理論

格子ゲージ理論(こうしゲージりろん、lattice gauge theory)は、格子上に離散化された時空におけるゲージ理論である。 低エネルギー領域での量子色力学はその強結合性のために摂動論的取り扱いができないが、この困難を打開するために生まれたのが格子ゲージ理論である。1974年、クォークの閉じ込めを記述するためにケネス・ウィルソンによって初めて提唱された。1980年にはマイケル・クロイツがモンテカルロ法を用いて格子ゲージ理論による数値計算に成功し、以後、”強い相互作用の第一原理計算”として有効活用されている。 格子上で場の理論を扱う場合は格子場の理論、格子上の場の理論、格子上で量子色力学を扱う場合は格子QCD、格子量子色力学などと呼ばれる。.

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殻模型

殻模型(かくもけい)またはシェルモデル (shell model) とは核構造を記述するモデルのひとつである。原子における電子殻と同様な構造を原子核における核子(陽子、中性子)についても考えるものである。原子核の周りの電子の場合と同様に、原子核でも「殻」という概念を通して性質を理解することができる。 この殻模型の成功を機に、核構造物理学という新しい分野を開くことになった。.

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液滴模型

液滴模型(えきてきもけい、)とは、原子核の性質を記述するモデルのひとつである。原子核を液体のしずくとして説明する。.

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摂動

摂動(せつどう、 perturbation)とは、一般に力学系において、主要な力の寄与(主要項)による運動が、他の副次的な力の寄与(摂動項)によって乱される現象である。摂動という語は元来、古典力学において、ある天体の運動が他の天体から受ける引力によって乱れることを指していたが、その類推から量子力学において、粒子の運動が複数粒子の間に相互作用が働くことによって乱れることも指すようになった。なお、転じて摂動現象をもたらす副次的な力のことを摂動と呼ぶ場合がある。.

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放射性崩壊

放射性崩壊(ほうしゃせいほうかい、radioactive decay)または放射性壊変(ほうしゃせいかいへん)、あるいは放射壊変(ほうしゃかいへん)とは、構成の不安定性を持つ原子核が、放射線(α線、β線、γ線)を出すことにより他の安定な原子核に変化する現象の事を言う。放射性物質が放射線を出す原因はこの放射性崩壊である。.

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