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Author:ぷろどおむ
元サッカー少年。今はしがない化学屋です。

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放射線が出てくる仕組み その2~放射壊変
さて,忘れないうちに続きを書きましょう。大変申し訳ありませんが,今この文章を読んで下さっている方々は,すでに前回の最後でいろんなことを諦めて受け入れて下さったものとして話を進めさせていただきます。

前回のお話では原子核の安定性は原子核の中に含まれる陽子と中性子の数のバランスなどによって決まり,同じ原子番号(=陽子の数)を持っていても原子核の中に含まれている中性子の数が異なる「同位体」と呼ばれるものがあることを説明させていただきました。

ところで,ウランのように大きな原子番号を持つ元素となると,前回も説明したとおりたくさんの中性子を抱えることになり,非常に不安定となります。もちろんウランより大きな元素ならなおさらです。

そのような時元素はどういう振る舞いをするかというと,どうにかして安定な状態になろうとします。では,どうすれば安定な状態になるのでしょう?

答えは簡単,不安定になっている原因は陽子と中性子のバランスがよろしくないためなのですから,陽子や中性子がちょうどいいバランスになるように調節してあげればよいわけです。つまりこれが

放射壊変

という現象です。

放射壊変には大きく分けて3種類あります。一つはα線を出すα崩壊,一つはβ線を出すβ崩壊,最後はγ線を出すγ崩壊です。つまり放射線とは,原子核が放射壊変を起こすことで発生してくるものであって,放射線の種類は起きている放射壊変の種類に依存していることになります。そして,このように放射壊変を起こす同位体のことを「放射性同位体」と呼びます。

では,それぞれの放射壊変についてざっと説明しましょう。

α崩壊は,4Heの原子核と同じ構造(陽子2個+中性子2個)を持つα粒子(=α線)を放出する放射壊変です。α崩壊をすると言うことはα線分の陽子と中性子が原子核から失われるということなので,当然原子番号が2減って,原子量(質量数)も4減ります。つまり,α崩壊をしてしまうと,違う元素になってしまうわけです。

次のβ崩壊にはいくつかのモードはありますが,質量数が変化しないまま原子番号が増えたり減ったりするのが特徴です。β崩壊で起きているのは,電子や陽電子(=β粒子,β線)を放出したり捕まえたりすることで,陽子と中性子が相互変換する反応です。そのため質量数は変化しないまま陽子の数が変化することになります。具体的には,陽子が中性子に変われば原子番号が一つ減り(β+崩壊,電子捕獲),中性子が陽子に変われば原子番号が一つ増える(β-崩壊)ことになります。

一般的に,すごく不安定な原子核がα崩壊を起こし,その次のステップでβ崩壊をしてさらに安定化することが多いです。もちろんα崩壊をせずにβ崩壊から始まる場合もあり,どのようなステップを踏んで崩壊していくかはその同位体の種類に依存します。そして,α崩壊やβ崩壊をすませた原子核がさらなる安定化を求めて最終的に行うのがγ崩壊です。

γ崩壊で放出されるのはいわゆる粒子ではなく,電磁波です。逆に言うと,γ崩壊で出てくるような波長の電磁波を「γ線」と呼んでいることになります。α崩壊やβ崩壊により陽子と中性子のバランスをうまく整えることに成功した原子核は,安定化により余ったエネルギーをγ線として放出することで,さらにスリムで安定化した原子になります。この反応は当然ですが原子番号や質量数に変化を与えることはありません。

もちろん,一回のα崩壊やβ崩壊で充分安定化できない放射性同位体は,複数回放射壊変を繰り返して安定化していくことになります。しかし,自然に起きている放射壊変は原爆の中や原発の中で起きているように意図的にエネルギーを高めた状態で起きているわけではありません。いくら不安定な状態とはいえ,原子核の中に含まれている陽子や中性子はポテンシャル障壁と呼ばれるエネルギーの井戸の中に押し込まれた状態で「ある程度」安定しています。特にα粒子なんて言う非常に大きな粒子を放出するα崩壊は,本来であればα粒子がその障壁を乗り越えられるくらいの高いエネルギーが与えられないと,起きるはずはないのです。しかし,それでもα崩壊はある一定の確率で現実に起きています。どうしてなのでしょうか。α崩壊はどのようにして起きているのでしょうか。それを説明するのが,量子力学の世界でしか起こらない不思議な不思議な現象。トンネル現象です。

我々の日常生活を支配している古典力学の世界では,外部からのエネルギー補給無しに存在するエネルギー障壁を乗り越えることはできません。たとえば,たとえ蓋の開いた箱であったとしても,その中に入っているボールは,外部からの力(=エネルギー)により十分な運動エネルギーを与えられなければ,箱の壁(=壁の高さ分の位置エネルギー)を乗り越えて外に出ることはできません。しかし,微細な粒子である原子核の中は,古典力学とは違う量子力学の世界であり,この世界では,持っているエネルギーが障壁を乗り越えられないような低い状態であったとしても,ある一定の確率で壁の向こう側に移動することが可能になってしまいます。このような現象を「トンネル現象」とか「トンネル効果」などと呼びます。

もちろんこのトンネル効果が起きる確率は,その粒子が持っているエネルギーに比例します。なのでこの場合,α線が持っているエネルギーが大きい状態(=不安定な状態)であればあるほど,外部にα線が出て行く(=α崩壊が起きる)確率が高まります。つまり,α崩壊がどのくらいの頻度で起きるのか,と言うことはその原子核がどのくらい不安定なのかということに依存するため,それぞれの放射性同位体の種類によってα崩壊の起きる確率が決まってくることになります。

同様にβ崩壊やγ崩壊も,その原子核がどの程度不安定な状態なのかによって起きる頻度が変わってきますので,放射性同位体の種類によって放射壊変が起きる確率というのは決まってくるわけです。

ということで,今回のお話で覚えておいて欲しいことは一点だけ。

放射壊変の起きる確率(=放射線の出てくる頻度)と出てくる放射線の種類は,
それぞれの放射性同位体によって決まっている


という点です。これだけのことを言うためだけなのに,長々とした説明をしてしまってごめんなさい(^^;

というわけで,なんとか放射壊変についての説明が一通り終了しました。かなり大ざっぱな説明なので,意図的に無視したり厳密には正確ではない部分が結構混ざっておりますが,ご了承下さい。とは言え,一応あんまり大きな嘘はついていないつもりですが,あまりにひどいと思われる部分がありましたら,ご指摘いただければと思います。

ということで,まだもう少し続きます(^^; 次は半減期の話です。
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テーマ:環境・資源・エネルギー - ジャンル:政治・経済

雑学 | 20:33:39 | Trackback(0) | Comments(4)
コメント
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このコメントは管理人のみ閲覧できます
2008-12-28 日 09:19:15 | | [編集]
物理、化学勉強に努めています。
ぷろどうむ様こんにちは。

いろいろありがとうございます。

私は書き込み初体験だったので、下記にチェックをつけなかったらそのまま文が掲載するのだろうから、それでは長文、誤文だった時に管理が困るだろうと思っていたんですが、どうにでもなるんですね。

また理解確認なんですが、全て原発や核実験などでの人工放射性物質という事で言えば、

「生体濃縮のところで、トリチウム、ヨウ素ではどんなに多く生体濃縮があったと考えても、自然放射線変動幅より遥かに少ない。」

「ストロンチウム90やセシウム、ヨウ素131、、、半減期が短期である理由で年間計算が無理であっても、短期であるがゆえに害が大きいと考える事もできるのではないかという疑問があり、こちらも聞いておきたいです。、、、など他の人工放射性物質でも多く濃縮を考えた際、自然放射線以下である。」

これらに間違いないですか。
2009-01-27 火 14:29:38 | URL | 匿名希望 [編集]
匿名希望様のコメントについて
>匿名希望様

お疲れのところ書き込みなさったのだと思いますが、文章の意味が非常にとりづらくなっています。
また、内容から察するに

[ 続・デマその1:再処理工場廃液の生体濃縮について ]
http://preudhomme.blog108.fc2.com/blog-entry-25.html

こちらのエントリの内容についての書き込みだと愚考いたします。

僭越ながら、お問い合わせの内容を私なりに解釈させていただいたものを
上記エントリのコメント欄にてご提案させていただきますので
意味の取り違いなどありましたらそちらにてご指摘いただけると幸いです。
2009-01-27 火 16:44:27 | URL | u!M-u!M [編集]
匿名希望さんのコメントに関しては,こちら(http://preudhomme.blog108.fc2.com/blog-entry-25.html#comment163)に回答させていただきました。どうかご参照下さい。
2009-01-27 火 20:28:34 | URL | ぷろどおむ [編集]
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