炭素-11(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>11</mn></msup><mi>C</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{11}C}</annotation></semantics></math>)は、陽電子放出核種(β⁺崩壊核種)であり、主に医療用(特にPETスキャン)で使用される放射性同位体です。半減期は約20.3分で、主に以下の方法で人工的に生成されます。
【1. 粒子加速器(サイクロトロン)による生成】
最も一般的な方法であり、医療用として使用される炭素-11は、粒子加速器(特にサイクロトロン)を用いて生成されます。
原理:
- 窒素-14(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>14</mn></msup><mi>N</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{14}N}</annotation></semantics></math>)原子核に高エネルギーの陽子(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><msup><mi>p</mi><mo>+</mo></msup></mrow><annotation encoding="application/x-tex">p^+</annotation></semantics></math>)を衝突させる核反応。
- この反応で中性子が1つ放出され、炭素-11が生成されます。
核反応式:
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>14</mn></msup><mi>N</mi><mo>+</mo><mi>p</mi><mo>−</mo><msup><mo>></mo><mn>11</mn></msup><mi>C</mi><mo>+</mo><mi>α</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{14}N + p -> ^{11}C + \alpha}</annotation></semantics></math>- 入力:窒素-14(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>14</mn></msup><mi>N</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{14}N}</annotation></semantics></math>)、陽子(高エネルギー)
- 出力:炭素-11(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>11</mn></msup><mi>C</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{11}C}</annotation></semantics></math>)、ヘリウム核(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>α</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\alpha</annotation></semantics></math>粒子)
使用するターゲット物質:
- 窒素ガス(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><mi>N</mi><mn>2</mn></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{N2}</annotation></semantics></math>)またはアンモニア(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><mi>N</mi><mi>H</mi><mn>3</mn></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{NH3}</annotation></semantics></math>)
- ターゲットガスをサイクロトロン内に充填し、陽子ビームを照射。
【2. 陽子線照射による生成(粒子加速器応用)】
陽子線を酸素-16に照射することでも生成可能です。
核反応式:
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>16</mn></msup><mi>O</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>p</mi><mo separator="true">,</mo><mi>α</mi><msup><mo stretchy="false">)</mo><mn>11</mn></msup><mi>C</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{16}O(p, \alpha)^{11}C}</annotation></semantics></math>- ターゲット:水(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn><mi>O</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{H2O}</annotation></semantics></math>)や酸素ガス(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><mi>O</mi><mn>2</mn></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{O2}</annotation></semantics></math>)
- 生成物:炭素-11(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>11</mn></msup><mi>C</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{11}C}</annotation></semantics></math>)、ヘリウム(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mi>α</mi></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\alpha</annotation></semantics></math>粒子)
【3. 天然生成(宇宙線による生成)】
地球の大気中で宇宙線が窒素原子核と相互作用することで、炭素-11が自然発生することがあります。
核反応の例:
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>14</mn></msup><mi>N</mi><mo>+</mo><mi>γ</mi><mo>−</mo><msup><mo>></mo><mn>11</mn></msup><mi>C</mi><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>n</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{14}N + \gamma -> ^{11}C + 3n}</annotation></semantics></math>ただし、生成量は極めて微量であり、人工的な用途には適していません。
【4. 生成された炭素-11の用途】
- PETスキャン(陽電子放出断層撮影法)
- 炭素-11標識化合物(<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><semantics><mrow><mstyle mathcolor="#cc0000"><mtext>\ce</mtext></mstyle><mrow><msup><mrow></mrow><mn>11</mn></msup><mi>C</mi></mrow></mrow><annotation encoding="application/x-tex">\ce{^{11}C}</annotation></semantics></math>-メチオニンなど)は腫瘍の診断に使用。
- 放射線源としてポジトロンを放出し、体内で対消滅ガンマ線を検出して画像化。
- 基礎物理実験
- ポジトロンの研究や、短寿命核種の特性解析など。
【まとめ】
炭素-11の主な生成方法:
- **粒子加速器(サイクロトロン)**で窒素-14に高エネルギー陽子を照射。
- 陽子線照射で酸素-16から核反応で生成。
- 宇宙線反応による微量生成(非実用的)。
炭素-11は短半減期(20.3分)のため、使用直前に加速器で生成し、速やかに医療用途や研究に利用されます。