講義スライド - 東京大学 大学院理学系研究科・理学部

目次
放射能とは何か
理学系研究科附属
原子核科学研究センター(CNS)
下浦 享
•  放射能、放射線
•  物質の階層構造、原子と原子核
•  エネルギー量子としての放射線
•  放射線と物質の相互作用
•  原子核の安定性
•  原子核の壊変(崩壊と核種の変化)
•  Bq, Gy, Sv
http://www.cns.s.u-tokyo.ac.jp/~shimoura/
放射線の何が理解しづらいのか
•  見えない、非日常
•  とても大きな数やとても小さな数
‒  1024個、45億年、10-14 m、10-19 J...
‒  テラ(T), ギガ(G), マイクロ(μ), フェムト(f)...
•  確率的
‒  ミクロの世界の科学ー量子力学ーの基本
‒  ０でない確率
‒  確定的なことは言えない（ 大丈夫 ？）
•  測定感度がとても高い(ないとは言えない)
定量的な評価と判断
放射能と放射線
放射能：放射線を出す能力(の大きさ)
電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線など
非電離放射線
電離放射線
？電離？
電磁波(光子)
粒子線
X線、γ線
荷電粒子線
(直接電離)
ミクロな世界における
エネルギーの塊（量子）
物質のなりたち
ミクロな世界へ
β線、電子線、陽電子線
α線、陽子線、重陽子線、
重イオン線
核分裂片
荷電中間子線 など
非荷電粒子線
(間接電離)
中性子線
中性中間子線
ニュートリノ など
物質の源
電子の発見 (1897)
• 
103
104
106
108
109
1012
1015
1016
1018
1020
1024
1028
1032
1036
1040
1044
1048
...
• 
•  100
3,000,000,000,000,000,000,000,000
• 
• 
• 
(
)
2
1
(H2O)
120
• 
• 
• 
• 
k
M
G
T
P
E
J. J. Thomson (1856-1940)
1897年：電子の発見
最初の加速器
雑誌｢ニュートン｣より転載
原子：いろいろな元素：構造がある
重さが水素のだいたい整数倍
ラザフォード散乱
炭素：約12倍、窒素：約14倍、酸素：約16倍
鉄：約56倍、金：約197倍...
エメラルドの成分（5月の誕生石）
強力バネ機械の部品
（Be合金）
X線の取りだし窓材料
研究用のAm-Be中性子源
湯川秀樹《ゆかわ ひでき》
野依良治《のより りょうじ》
利根川進《とねがわ すすむ》
江崎玲於奈《えさき れおな》
(1949年ノーベル物理学賞受賞） (1973年ノーベル物理学賞受賞） (1987年ノーベル生理学医学賞受賞） (2001年ノーベル化学賞受賞）
未知の素粒子，
中間子の存在
を予言
半導体エサキ・ダイオードを発明
不斉合成のための触媒分子
を開発
免疫グロブリンの構造を解明
田中耕一《たなか こういち》
小林 誠《こばやし まこと》
生体高分子の構造解析手法
を開発
CP対称性の破れの起源の提唱
(2002年ノーベル化学賞受賞）
空気より軽いガスで飛行船に利用
ビッグバンや太陽での核融合で生成
液体Heは超伝導磁石の冷却剤
吸入すると高い声がでる
下村 脩《しもむら おさむ》
(2008年ノーベル物理学賞受賞） (2008年ノーベル化学賞受賞）
クラゲから緑色蛍光タンパク質
を発見
ネオンサイン
レーザー光発生の媒体 ネオン管は避雷塔に使われる
空気中の希ガスではArについで多い
原子の10000分の１より小さな領域にプラ
スの電荷が存在 「原子核」
鈴木 章《すずき あきら》
(2010年ノーベル化学賞受賞）
アルゴン(18番：40倍)は
カリウム(19番：39倍)
より重い？
パラジウム触媒によるクロス
カップリング
朝永振一郎《ともなが しんいちろう》 福井謙一《ふくい けんいち》 白川英樹《しらかわ ひでき》
(1965年ノーベル物理学賞受賞）
(1981年ノーベル化学賞受賞） (2000年ノーベル化学賞受賞）
素粒子をあつかうくりこみ理論
を展開
フロンティア軌道理論を開拓
導電性ポリマーの発見と開発
南部陽一郎《なんぶ よういちろう》 益川敏英《ますかわ としひで》 根岸 英一《ねぎし えいいち》
小柴昌俊《こしば まさとし》
(2008年ノーベル物理学賞受賞） (2010年ノーベル化学賞受賞）
(2002年ノーベル物理学賞受賞） (2008年ノーベル物理学賞受賞）
宇宙からのニュートリノ検出
に成功
2
右半分はTiO で表面処理
肥料の３要素のひとつ
人工降雨用の種結晶
（KC l）
岩石の年代測定法（K-Ar法）
非常用酸素発生剤
（KO 2 ）
自発的対称性の破れの予言
建物，自動車，船などの構造材料
磁石にくっつく金属
Feを含むヘモグロビンは酸素を運ぶ
磁気テープ，磁気ディスク，チケット
CP対称性の破れの起源の提唱
ハードディスクの磁気ヘッド
ビタミンB の中心原子
12
永久磁石の K S 鋼
青色油絵具
（コバルトブルー）
パラジウム触媒によるクロス
カップリング
ジェット機のタービン翼（Ni超合金）
電熱器用のニクロム線
ニッカド電池
（NiとCd）
形状記憶合金
（Ti - N i 合金）
半導体材料
（GaAs，
InAsなど）
ヒジキやカキなどの海産物に
微量含まれる
バーコードの読み取り機
GaN半導体（青色発光ダイオー
ドやLED電球）
GaAs半導体（携帯電話など）
融点の低い
（29.8℃）
金属
明るいクリプトン電球
フラッシュやストロボの充塡ガス
吸入すると低い声がでる
ギリシャ語の「隠されたもの」に由来
夜間撮影用カメラの光撮像管
しゃ光用ガラスの原料
Seは必須元素
ギリシャ語の月に由来
小惑星探査機はやぶさ
同じ原子番号で質量の違う元素
半減期
21.3万年
真空管の残存酸素を除く
ルビジウム原子時計
（誤差
1年に0.1秒）
いん石や岩石の年代測定法（Rb-Sr法）
花火や警戒用信号灯
（鮮紅色）
放射性同位元素は骨しゅようの
痛みの緩和剤
ブラウン管用のX線しゃへいガラス
超伝導材料
（リニアモーター
カーや画像診断 MR I 装置）
超薄型眼鏡（屈折率の高いNb入りガラス）
耐熱合金
（航空機エンジン）
ロシアのドブナにある合同
原子核研究所でつくられた
9種類の人工元素をつくった
アメリカの物理学者シー
ボーグにちなむ
科学技術週間
http://stw.mext.go.jp/
製作・著作：文部科学省
企画・制作：株式会社化学同人
2005年 3月25日 第1版発行
2011年 3月25日 第6版発行
, 重い水素(重水素）
送電ロスのない実用高温超伝導
ケーブルのおもな元素
低融点合金（ヒューズや火災用
自動スプリンクラーの口金）
ドイツ・ヘッセン州のラテ
ン名Hassiaにちなむ
(277)
核分裂反応をはじめて証明した
オーストリアの女性物理学者マ
イトナーにちなむ
(276)
(281)
エックス線を発見したドイ
ツの物理学者レントゲンに
ちなむ
(280)
地動説を唱えたポーランド
の天文学者コペルニクスに
ちなむ
紫外線吸収ガラス・プラスチック
テレビの青色蛍光体，LED電球
液晶テレビ用ガラス基盤の研磨剤
自動車の排ガスをきれいにする装置
最強力ネオジム磁石Nd-Fe-B
（ハードディスクやハイブリッド車の
モーター，MRIの磁石，スピーカー)
Nd添加YAGレーザー（レーザーメス）
Th数％を含むWは優れたアー
ク溶接用の電極 . ThO 2 は安定
な化合物
（融点3300℃）
人工放射性元素（原子炉でつくら
145 Pm）
れる）
：半減期17.7年（ 原子力電池
（深宇宙での電源）
ギリシャ神話のプロメテウスに由来
熱に強い強力サマリウム磁石
（最初の ウォークマン 1979年）
太古の年代測定法（半減期1080
億年の放射性同位体利用）
2004年7月23日，
日本の理
化学研究所でつくられた
コペルニシウム
ギリシャ語の「不安定astatos 」が語源
1940年にカリフォルニア大学
のサイクロトロンでつくられた
半減期は8.1時間
112#Copernicium
医療診断用MR I の画像強調剤
熱中性子ラジオグラフィー
（金属や植物の内部透過検査法）
磁気冷凍 磁気で伸び縮みする材料のおもな
元素
（電動アシスト自転車）
カラーテレビの緑色蛍光体
エックス線の増感剤
ハイブリッド車用の耐熱性
ネオジム磁石の必須添加元素
蓄光性の蛍光塗料
（Euと併用）
メタルハライドランプ
キュリー夫妻にちなむ
Puにアルファ粒子をぶつけて
つくられた
カリフォルニア大学バークレ
ー校のサイクロトロンでつく
られた
252Cfは自発核分裂による中性
子源として，核燃料濃縮度測定
や非破壊検査に用いられる
まわりをとりまく電子
原子番号＝電子の個数
231Paは海底沈殿層
（マンガン
団かい）
の年代測定に使われる
アクチニウムに先だつ元素の意味で命名
1898年キュリー夫妻が発見
夫人の母国ポーランドにちなんで命名
アルファ線源や中性子源
原子力電池
熱の発生の少ないHoレーザー
は手術に使われる
（結石の破
砕, 前立腺切除）
人工宝石の着色
（淡黄色）
長距離光通信の光ファイバーアンプ
〔九州・沖縄間に敷設（1995年）〕
医療用レーザー
溶接用のメガネ
（赤外線吸収）
176 Lu
（半減期約360∼380億年）が
放射線量計
青色蛍光
（硫化亜鉛にドープ）
Erを補い光ファイバーの伝
送容量を増やす
年代測定に用いられる（Lu-Hf 法）
PET診断用の陽電子検出器に使用
世界初のサイクロトロン（1936年）
半減期
2.41万年
濃縮ウラン U は核分裂連
鎖反応を起こす
（原子力発電）
地球年代測定（U-Pb法），ウランガラス
人工的につくられた最初の
超ウラン元素
海王星
（Neptune）
にちなむ
監修：日本化学会，
日本物理学会，
日本薬学会，
日本微量元素学会，
高分子学会，
応用物理学会
企画協力：玉尾皓平（京都大学化学研究所・理化学研究所）
，
桜井 弘（京都薬科大学・鈴鹿医療科学大学）
，
寺嶋孝仁（京都大学低温物質科学研究センター）
，
株式会社化学同人
制作協力：竹内敬人（神奈川大学）
，
高野幹夫，
横尾俊信，
金光義彦，
小野輝男，
島川祐一，
佐治英郎，
高橋雅英，
松田一成，
葛西伸哉，
齊藤高志，
山本真平，
上野山美佳，
柘植 彩，
柴田誠一（以上，
京都大学）
，
高
尾正敏（松下電器産業株式会社），
壬生 攻（名古屋工業大学）
，
藤嶋 昭（神奈川科学技術アカデミー）
，
小間 篤（高エネルギー加速器研究機構）
，
冨樫喜博（日本原子力研究所）
，
下井 守（東京大学）
，
溝上健二・丸山
瑛一（理化学研究所）
，
木原壯林（京都工芸繊維大学）
，
古川路明（元名古屋大学）
，
西村幸男（社団法人 日本塗料工業会）
，
谷岡健吉（NHK放送技術研究所）
，
大迫正弘（国立科学博物館）
，
矢野安重・上蓑義朋・高橋和
也・望月優子（理化学研究所 仁科加速器研究センター）
，
二ツ川章二（社団法人 日本アイソトープ協会）
，
佐藤謙一（住友電気工業株式会社）
，
馬越佑吉（物質・材料研究機構）
，
國中 均（宇宙航空研究開発機構）
，
石垣
尚幸（株式会社NEOMAX）
，
森 敦紀（神戸大学）
高速増殖炉もんじゅの燃料
原子力電池
（宇宙船）
冥王星
（Pluto）
にちなむ
241Amは煙感知式火災警報
機や厚み計に使われる
Beとの複合物は中性子源
半減期
2.64年
写真・資料提供：核燃料サイクル開発機構 敦賀本部業務統括部，
関西電力株式会社 若狭支社高浜発電所，
京都大学基礎物理学研究所，
産業技術総合研究所 計量
標準総合センター，
芝浦工業大学，
島津製作所 田中耕一記念質量分析研究所，
ソニー株式会社，
筑波大学，
東罐マテリアル・テクノロジー株式会社，
東京大学，
東
京電力株式会社 柏崎刈羽原子力発電所，
日本化学会，
株式会社日本触媒，
丸善石油化学株式会社，
読売新聞社，
理化学研究所，
W a c k e r - C h e m i e G m b H ，
住友電気工業株式会社，
宇宙航空研究開発機構，
株式会社カネカ，
長崎大学，
高エネルギー加速器研究機構，
京都産業大学，
シカゴ大学，
ＮＨＫ放送技術研究所，
ト
ヨタ自動車株式会社，
パナソニック株式会社，
Lawrence Berkeley Nat'l Lab，
『キュリー夫妻のラジウム発見100周年記念事業』事務局（財団法人癌研究会）
イラストレーター：山崎 猛
衛星推進用装置イオンエンジン
高速撮影用ストロボ
プラズマディスプレイパネル
（PDP）
の充填ガス
※ここに示した原子量は, 各元素の詳しい原子量の値を有効数字4桁に四捨五入してつくられたもので, IUPAC原子量委員会で承認されたものである．
安定同位体がなく，同位体の天然存在比が一定しない元素はその元素の代表的な同位体の質量数を
（ ）の中に示している．
〔日本化学会原子量委員
会(2010)の「4桁の原子量表」による.〕
※元素名のうち，AlはAluminium，CsはCaesiumと表記することもある．
※半減期は代表的な同位体のものを示してある．なお,107番Bh以降の半減期は，最長半減期をもつ同位体のものを示してある．
半減期とは, 放射性核種の原子数あるいは放射能がもとの2分の1になるのに要する時間である.
※Untはラテン語の113番元素の意味 Ununtrium の略．114番から118番元素についても，
1999年から2010年にかけてロシアのドブナ合同原子
核研究所やアメリカとの合同チームによってつくられたとの報告がある．
理化学研究所の線形加速器
半減期)
0.0015秒
ドイツのダルムシュタット
にある重イオン研究所でつ
くられた
うがい薬や消毒薬
千葉県が世界第二の産地
ヨウ素デンプン反応：青紫色
甲状腺に集まる
Pbと混ぜて活字に使う
酸化アンチモンは難燃助剤（プラ
スチック，カーテン，マットレス）
半導体，
DVDディスクの材料
(単位となる粒が集まった)原子核と
半減期
3.25万年
放射活性が強い
ギリシャ語のaktis（放射線）が語源
中性子源として用いられる 36Ar, 38Ar, 40Ar,
ニッカド電池
（NiとCd）
黄色油絵具（カドミウムイエロー）
ブラウン管用蛍光剤
（CdS）
イタイイタイ病はCd中毒
同位元素(同位体)
量子力学の基礎を築いたデ
ンマークの物理学者ボーア
にちなむ
(272)
高屈折率・低分散光学ガラス原料
水素吸蔵合金LaNi 5 は燃料電
池の負極材料 LaB 6 は電子ビームの発生電極材料
水素化，アセトアルデヒド合成や
クロスカップリング触媒
900倍の体積の水素を吸蔵
自動車の排ガスをきれいにする触媒
半減期
0.07秒
半減期0.9秒
原子模型を提唱したイギリ
スの物理学者ラザフォード
にちなむ
水素化触媒，炭素骨格変換触媒
ハードディスクの記憶量の増大
電子回路接点，
抵抗器，
ペン先
食塩水電解用の電極（塩素の製造）
39K, 40K
優れた中性子吸収材（Zrの500倍）
原子炉の停止用制御棒に用いる
耐火セラミックス（窒化ハフニウム）
HfO2は優れたトランジスター材料
1898年キュリー夫妻が発見
放射線（radius）
にちなむ
蛍光性塗料
（ Ra のアルファ線に
よってZnSが発光）に使われていた
世界最初の人工放射性元素（1937年）
半減期約6時間の同位体は
しゅよう診断剤
骨イメージング剤，全身分布像
ガイガー・マースデンの実験
α粒子(ラジウムのつぶやき)を金箔にぶつけて
散乱したα粒子を見る(蛍光を数える)
半減期
1.29年
半減期
216分
エンリコ・フェルミ
物理学者アルベルト・アイン
シュタインにちなんで命名
FmとEsはアメリカの世界初の
水爆実験の実験場所で採取された
ちりのなかから発見された
周期表の提唱者メンデレー
エフにちなんで命名
ダイナマイトを発明し,ノー
ベル賞を創設したアルフレッ
ド・ノーベルにちなんで命名
サイクロトロンの発明者の
ローレンスにちなんで名づ
けられた
参考書：1） 桜井 弘編，
『 元素111の新知識 第2版』
，
講談社（2009）
．
2） John Emsley, “ The Elements,”
3rd Ed．
,Oxford University Press（1998）
．
3） John Emsley, “Nature’
s Building Blocks : An A-Z Guide to the Elements,”
Oxford University Press（2001）: 山崎 昶訳，
『 元素の百科事典』
，
丸善（2003）
．
4） Albert Stwertka, “A Guide to the Elements（second edition）,”
Oxford University Press
（2002）
．
5） 馬淵久夫編，
『元素の事
典』
，
朝倉書店（1994）
．
6） 齋藤一夫著，
『元素の話』
，
培風館（1982）
．
7） Mary E. Weeks，Henry M. Leicester著，
大沼正則監訳，
『元素発見の歴史1，
2，
3』
，
朝倉書店（1988∼1990）
．
8） 竹内敬人著，
『化学の基本7法則』
，
岩波書店（1998）
．
9） 村上雅人編著，
『元素を知る事典』
，
海鳴社（2004）
．
１0） 国立
天文台編，
『理科年表（平成17年版）』, p.133, 丸善（2005）
．
１１） 羽場宏光監修，
『イラスト図解：元素』, 日東書院（2010）
．
中性子の発見：チャドウィック
陽子(水素の原子核)と同じ重さで、電荷のない粒子が存在
「中性子」： 原子番号０の元素
原子核：いくつかの陽子といくつかの中性子か
らなる
原子核
原子 (アトム)
原子核
陽子
中性子
電子雲
約数百兆分の1メートル
((1-10) 10-15 m)
約100億分の1メートル
(10-10 m)
化学反応
C+O2
•  原子や分子の中の電子が主役
•  C + O2 → CO2 + 4.2 eV : 炭素が燃える
1 d(
2 c(
3 m(
4
5
6 µ(
7
8
9 n(
10
11
12 p (
13
14
15 f (
16
17
18 a (
19
20
21
22
23
原子と原子核
)
•  原子は原子核とそれをとりまく電子からなる
)
)
)
)
•  原子核の質量は原子の質量の大半を占める
•  原子（元素）の性質は、電子の個数で決まる
•  原子番号または元素名、元素記号で区別
•  水素(H):1番, ヘリウム(He):2番, 炭素(C):6番, 酸素(O):8番, 鉄
(Fe):26番, 鉛(Pb):82番, ウラン(U):92番 など
•  分子をかたちづくる主役は原子のまわりの電子
•  原子核は陽子と中性子からなる
)
)
)
4.2 eV
CO2
•  1個の炭素原子が燃えると 4.2 のエネルギーが発生
•  1 eV (電子ボルト)：1個の電子が1ボルトの電圧で得るエネルギー
（乾電池の電圧：1.5 ボルト）
•  12グラムの炭素が燃えると約 100 キロカロリー（約400キロ
ジュール）
•  原子や分子の組み替えによってエネルギーが出入りするがエネルギー全
体は保存する
•  （炭素原子の内部エネルギー）＋（酸素分子の内部エネルギー）が、
（二酸化炭素分子の内部エネルギー）より 4.2 eV だけ大きいと考
える
•  内部エネルギーが運動エネルギー（熱）に変換される
•  電離（原子から電子を剥ぐ）エネルギー：数eV∼数10eV
•  常温の熱エネルギーは約 0.040 eV
•  6000度の熱エネルギーは約 0.8 eV
•  陽子と中性子をあわせて核子とよぶ
•  陽子の個数(Z)と中性子の個数(N)の和=核子の個数(A)を、
質量数とよぶ(A=Z+N)
•  陽子の個数は原子内の電子の個数と同じ
•  原子核の性質は陽子数と中性子数の組み合わせで決まる
•  元素名と質量数で区別する（慣習）
•  炭素12(12C), 炭素13(13C), 炭素14(14C), ウラン235(235U),ウ
ラン238(238U)など
原子と原子核
•  原子は原子核とそれをとりまく電子からなる
•  原子核の質量は原子の質量の大半を占める
•  原子（元素）の性質は、電子の個数で決まる
•  原子番号または元素名、元素記号で区別
•  水素(H):1番, ヘリウム(He):2番, 炭素(C):6番, 酸素(O):8番, 鉄
(Fe):26番, 鉛(Pb):82番, ウラン(U):92番 など
•  分子をかたちづくる主役は原子のまわりの電子
•  原子核は陽子と中性子からなる
•  陽子と中性子をあわせて核子とよぶ
•  陽子の個数(Z)と中性子の個数(N)の和=核子の個数(A)を、
質量数とよぶ(A=Z+N)
•  陽子の個数は原子内の電子の個数と同じ
•  原子核の性質は陽子数と中性子数の組み合わせで決まる
•  元素名と質量数で区別する（慣習）
•  炭素12(12C), 炭素13(13C), 炭素14(14C), ウラン235(235U),ウ
ラン238(238U)など
)
核図表 (原子核種を表す地図)
１つのます目が１つの核種
ほとんどが「不安定核」
鉛(82)の同位体→
原子核の崩壊： (RI：放射性同位体)
←ウラン238
(238U)
地上に存在する原子核でも安定な原子核だけではない
不安定な原子核：崩壊により別の核種（元素）になる
崩壊は確率事象
40K
→ 40Ar または 40Ca : 20億年：地球や宇宙の年齢
→ 14N : 5730年：文明のはじまり(大気と宇宙線の反応)
235U(7億年) 238U(45億年) ：崩壊系列、4Heガス、地熱
陽子数(
14C
← セシウム137(137Cs)
←
ヨウ素131(131I)
スズ(50)の同位体
→ ←カルシウム(20)の同位体
←酸素(8)の同位体
半減期
1時間から1年
1年から10億年
安定(10億年以上)
約270種類
中性子数
壊れるときに「何か(エネルギーの塊)」を出す：
放射線(α、β、γ線、ニュートリノ）
(alpha decay)
(beta minus decay)
(gamma decay)
(beta plus decay)
(spontaneous fission)
http://ie.lbl.gov/education/glossary/glossary.htm
放射性同位元素からの放射線
磁場中で直進する粒子
ガンマ(γ)線
光子
磁場中で左に曲がる粒子
アルファ(α)線
ヘリウム４の原子核
ATOMICA
19世紀末の科学界の
もっとも中心的な
トピックス
磁場中で右に曲がる粒子
ベータ(β)線
電子
放射線の起源（原子核種の変化）
ガンマ(γ)線 = 光子
(MeV)
アルファ(α)線 = 4He 原子核
放射線のエネルギー
コバルト治療に用いるガンマ線
ベータ(β)線 = 電子
放射線と物質の相互作用
•  1次過程 (確率事象)
•  荷電粒子(β線(電子)、α粒子、
重イオンなど)
•  物質内の電子をクーロン力で弾きとばす
•  1回の衝突で1つの電子、短い飛跡で多数回の衝突
•  1回の衝突で失うエネルギーはほぼ (電荷/速度)の2乗に
比例
•  ベータ線の速度∼光速の85%くらい(止まりにくい)
•  アルファ線の速度∼光速の5%くらい(すぐ止まる)
•  ガンマ線(衝突の確率が小さい)
•  物質内の電子を、主にコンプトン効果(+光電効果、エネ
ルギーが高ければ対生成も)で弾き飛ばす
•  1回の衝突で1つの電子、高々数回の衝突、透過し易い
•  中性子線(
)
•  物質内の陽子を核力で弾き飛ばす
•  1回の衝突で１つの陽子、高々数回の衝突、透過し易い
•  原子核の内部エネルギーの差が1つぶの放射線のエネルギー
•  (内部)エネルギーと質量は同等(アインシュタイン)
•  原子核種によって決まったエネルギー
•  崩壊前の原子核の質量と崩壊後の粒子の質量の差が1個の放
射線のエネルギーとなる
•  エネルギーの大きさは百万電子ボルトの単位
•  化学反応の百万倍
•  原子から電子をはぎ取る（電離）のに必要なエネルギー
の百万倍
→
「電離放射線」→ 放射線検出器
•  原子を電離させる力は電磁気力
•  電荷をもっているα線、β線
•  電磁波であるγ線
放射線の透過性
相互作用が強いほど透過性は
小さいが影響は大きい
=>
原子力防災基礎用語集より
http://www.bousai.ne.jp/vis/bousai_kensyu/glossary/a05.html
放射線と物質の相互作用
放射線検出器
Ge半導体検出器を用いたγ線測定による核種分析
半減期
•  2次過程 (確率事象)
•  1次過程で飛ばされた電子（あるいは陽子）が、さらに物質
内の電子を弾き飛ばす
•  エネルギーが低くなると、分子や原子を励起する
•  結果として、放射線(１つの粒子)のMeV のエネルギーが、eV
程度の多数の電子に分配
•  放射線から物質に与えられたエネルギー
→電子の個数=イオンの個数 励起状態の数
•  エネルギーが局所的に分配：局所的にエネルギー密度大
•  多数の放射線が単位重量あたりに与える平均のエネルギー：
吸収線量 (Gy=J/kg) [後述]
=(個数) <(1つの放射線が与えるエネルギー)>/(重量)
•  1 Gy で水は 1/4200℃上昇する
放射線から物質に与えられたエネルギー
電離された電子の個数=イオンの個数 励起状態の個数
•  励起状態から発せられる光子を利用(シンチレータ)
•  エネルギーに比例した光子の個数を光センサーで検出
•  光センサー
光子→電子(+空孔)→(増幅)→電荷(電流)パルス信号
•  電荷を利用(電離箱、比例計数管、ガイガーカウンター、半導
体検出器)
•  エネルギーに比例した電離電子(+空孔)の個数を電荷とし
て取り出す
•  電離された電子(+空孔)の電荷→(
)
→
(
)
測定するのは、放射線が検出器に与えたエネルギー
• 崩壊により、親核の個数が半分になるのに要する
時間を半減期(T)という
t/T
!1$
N(t) = N 0 # &
"2%
= N 0 exp (−t / τ ) ; τ = T / ln 2
• 放射線の量（個数）は親核の個数に比例
‒  １半減期経過すると放射線の量も半分,10半減期(10T)
で1/1024
• 同じ個数の親核があったとき、半減期が2倍長い
核種からの放射線の量(個数)は1/2となる
γ
Ge
(keV)
‒  長い半減期単位時間あたりの放射線量は少ない
‒  うんと短い半減期すぐになくなってしまう
‒  人間の時間スケールと同じくらいの半減期の原子核の影
響が大きい
崩壊様式
半減期と放射性元素の量、崩壊率
•  アルファ(α)崩壊
•  崩壊前の原子核（親核という）から原子番号が２、
質量数が４小さい原子核（娘核という）になる
•  AZ → (A-4)(Z-2) + α
•  ベータ(β)崩壊
•  親核から原子番号が１増えるβー崩壊
•  AZ → A(Z+1) ＋ βー＋反ニュートリノ
•  親核から原子番号が１減るβ＋崩壊
•  AZ → A(Z-1) ＋ β＋＋ニュートリノ
• 
•  AZ e → A(Z-1)
•  ガンマ(γ)崩壊
•  親核と同じ核種の娘核
• 崩壊率(Bq: ベクレル)
=(ln 2) (親核の個数)/(半減期(秒))
‒  300ベクレルの131I (半減期8日)の個数：
300 8 24 3600/0.7 300,000,000個 15兆分の1g
‒  300ベクレルの137Cs (半減期30年)：約100億分の1g
• 確率事象である崩壊を測定→崩壊率を推定(精度)
Antoine Henri Becquerel,
1852
12
15
- 1908
8 25
(MeV)
崩壊様式
核種によって決まったエネルギーの放射線
(
dN
= λ1 N + λ2 N = λ N
dt
N = N 0 exp (−λ t ) = N 0 exp (−t / τ )
−
(
(
λ >>λ ; λ t>>1
:
τ = 1 / λ = 1 / ( λ1 + λ2 ) = T1/2 ln 2
γ
bi = λi / λ : Branching ratio
Nd
0.8
0.6
0.4
0.2
0
λp "
N d (t ) = N 0
exp (−λpt ) − exp (−λd t )$%
λd − λ p #
d
p
d
& &&&&
→ N0
Np
1
dt
dN d
= λ p N p − λd N d ; N d ( 0 ) = 0
dt
N p (t ) = N 0 exp (−λpt ) = N 0 exp (−t / τ p )
λ2)
λd)
λp=4 λd
1.2
= − λp N p ; N p ( 0 ) = N 0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
λp
exp (−λpt )
λd − λ p
β
同じ質量数の原子核の内部エネルギー
原子核の内部エネルギー
ハイゼンベルグの谷を横切る
A=131
40000
Sn
1.2 s
131
EC 62Sm
p
32000
Sn
(9600)
Sp
(3800)
28000
Sn
Sp
6280
14680
24000
(21/2+) 4270
β− 0.32 s
(1/2–)
363
20000
(9/2+)
0
β− 0.35 s
131
49In β−
16000
Sn
10000
8000
5210
(11/2–) 241.8
(3/2+)
0
Sp
9070
Sn
7700
5%
Sn
Sp
10107
Sn
5929.7
131
50Sn β−
(5300)
EC
(11/2–) 152.0
(3/2+)
0
131
EC 59Pr
Sn
8583
Sp
7380
Qβ−4638
23.03 m
131
51Sb β−
Sp
8771
Sn
6605.2
Sn
9236
Sp
5471
Sn
Sp
7493.5
Qβ−3190
3000
11/2–
3/2+
Sp
5.7 s
1.53 m
0
131
52Te β−
QEC6560
9/2– 187.14
1/2+
0
131
EC 56Ba
8.02070 d
β−
11.84 d
Qβ−970.8
131
0
EC 58Ce
5.0 m QEC5250
10.3 m
59 m
131
Qβ−2233
131
53I
0+x
EC 57La
30 h
25.0 m
7/2+
3750
(1/2+)
(7/2+)
QEC4000
3/2+
77.8%
182.250 β−
2000
βー崩壊
EC
7084
IT
4000
0
Sp
27 s
131
EC 60Nd
56.0 s
5000
100
(10130)
β− 58.4 s
(7/2+)
500
(2300)
n
6000
1000
(800)
QEC(8100)
(5/2)
Sp
2.2% (0.282 s + 0.35 s + 0.32 s)
Sn
Sp
131
61Pm
(11200)
p
0.282 s
Qβ−9180
12000
(12400)
NDS 72, 487(1993)
36000
IT
λ1)
λp)→
5/2+
IT
(
(
.2
%
→
→
22
1)
dN p
内部エネルギー(対数目盛り)
(
2)
95
%
•  娘核が安定とは限らない
•  より内部エネルギーの小さい核種、状態へ崩壊
•  β崩壊→β崩壊、γ崩壊など
•  α崩壊→γ崩壊、β崩壊
•  それぞれの過程への確率が決まっている
•  半減期(寿命)と分岐比
IT
崩壊過程、壊変系列
11/2–
3/2+
163.931
0
131
54Xe
9.689 d
131
EC 55Cs
QEC352
QEC1370
QEC2960
14.6 m
11.50 d
β＋崩壊または
電子捕獲
Evaluators: Yu.V. Sergeenkov, Yu.L. Khazov, T.W. Burrows,
and M.R. Bhat
重い元素生成に関する理論予想: r-過程
重い元素生成に関する理論予想: r-過程
天然に存在する原子核の内部エネルギー
10
鉄
9
8
ウラン
7
6
5
4
3
2
1
0
融合すると
エネルギー
が発生
(太陽,恒星）
0
50
崩壊・分裂すると
エネルギーが発生
質量数
100
150
核分裂
より安定
200
内部エネルギー
核子1個をはぎとるのに必要な
平均エネルギー(MeV)
ハイゼンベルグの谷底の様子
250
陽子から始まる軽い原子核は燃えて重い原子核になる
核融合：星の中の元素創成（鉄まで）
•  原子核内に核子を閉じ込めている力：核力
•  核力：短い範囲に強い引力（湯川秀樹）
•  陽子数と中性子数を同じにすると安定
•  原子核の内部エネルギー（質量）：
•  核力と陽子どうしに働く電気力（反発力）のせ
めぎあい
•  安定な重い原子核は電気反発力のため、
•  陽子数は中性子数より小さい
•  より軽い原子核より内部エネルギーが大きい
•  外からエネルギーを与えると、分裂することが
ある→核分裂
連鎖反応
210
核分裂障壁
核図表 (原子核種を表す)
235U+n→236U*
→A+B+(2-3)n
鉛(82)の同位体→
減速
236U
←ウラン235
(235U)
ヨウ素131(131I)
セシウム137
(137Cs)
半減期
臨界：
連鎖反応がおこる
核分裂で生成
される核種
核燃料の形状、密度、
減速材によって連鎖反
応の様子 が決まる。
放射能(Bq)、吸収線量(Gy)
• 放射能の強さを、崩壊量(Bq) で表す
(放射性物質の量に比例)
‒  核種により、親核の1回の崩壊に伴う放射線の種類、個数、
エネルギーが異なる
‒  マクロな物質(1023個)のうちの1 104個を識別（感度が非
常に高い）
• 吸収線量 (Gy = J/kg )
実効線量(Sv)
• 実効線量 (Sv)
‒  (吸収線量) (放射線荷重係数) (組織荷重係数 )
‒  通常、1cm 線量当量(人体組織(水)の1cm深さの被ばく線
量)で評価
•  フィルムバッジや放射線管理用のサーベイメータ等の表示
‒  種々の条件における換算率 (IAEA, Generic Procedures for
Assessment and Response during Radiological Emergency 2000)
‒  核種と放射性核からの距離、吸収させる物質を決めると、
1Bqあたりの吸収線量が見積もられる
‒  放射線は、マクロな物質全体に与えるエネルギーは大きく
ないが、ミクロな領域に密度の高いエネルギーを与える
Louis Harold Gray (10 November 1905 – 9 July 1965)
1時間から1年
1年から10億年
安定(10億年以上)
約270種類
Rolf Maximilian Sievert
(6 May 1896 – 3 October 1966)
ATOMICA
ICRP Publ.60
手順書 E3 4/6 ページ
土壌汚染
換算係数 CF3
沈着からの周辺線量率
[(mSv/h)/(kBq/m2)]
a
放射性核種
土壌汚染
Ag-110m
Cd-109+Ag-109m
放射性核種
Cd-113m
In-114m
Ag-110m
Sn-113+In-113m
Cd-109+Ag-109m
Sn-123
Cd-113m
Sn-126+Sb-126m
In-114m
Sb-124
Sn-113+In-113m
Sb-126
Sn-123
Sb-126m
Sn-126+Sb-126m
Sb-127
Sb-124
Sb-129
Sb-126
Te-127
Sb-126m
Te-127m
Sb-127
Te-129
Sb-129
Te-129m
Te-127
Te-131
Te-127m
Te-131m
Te-129
Te-132
Te-129m
I-125
Te-131
I-129
Te-131m
I-131
Te-132
I-132
I-125
I-133
I-129
I-134
I-131
I-135+Xe-135m
I-132
Xe-131m
I-133
Xe-133
I-134
Xe-133m
I-135+Xe-135m
Xe-135
Xe-131m
Xe-135m
Xe-133
Xe-138
Xe-133m
Cs-134
Xe-135
Cs-135
Xe-135m
Cs-136
Xe-138
Cs-137+Ba-137m
Cs-134
Cs-138
Cs-135
Ba-133
Cs-136
Ba-137m
Cs-137+Ba-137m
Ba-140
Cs-138
La-140
Ba-133
Ce-141
Ba-137m
Ce-144+Pr-144
Ba-140
Pr-144
La-140
Pr-144m
Ce-141
Pm-145
Ce-144+Pr-144
Pm-147
Pr-144
Sm-147
Pr-144m
Sm-151
Pm-145
Eu-152
9.4E-06CF3a
換算係数
1.1E-07
沈着からの周辺線量率
2
9.3E-10
[(mSv/h)/(kBq/m
)]
3.2E-07
9.4E-06
9.9E-07
1.1E-07
3.0E-08
9.3E-10
5.3E-06
3.2E-07
6.0E-06
9.9E-07
9.8E-06
3.0E-08
5.4E-06
5.3E-06
2.4E-06
6.0E-06
4.9E-06
9.8E-06
1.8E-08
5.4E-06
4.0E-08
2.4E-06
2.1E-07
4.9E-06
1.3E-07
1.8E-08
1.5E-06
4.0E-08
4.8E-06
2.1E-07
8.0E-07
1.3E-07
1.5E-07
1.5E-06
9.1E-08
4.8E-06
1.3E-06
8.0E-07
7.8E-06
1.5E-07
2.1E-06
9.1E-08
8.9E-06
1.3E-06
5.4E-06
7.8E-06
7.3E-08
2.1E-06
1.6E-07
8.9E-06
1.4E-07
5.4E-06
8.5E-07
7.3E-08
1.5E-06
1.6E-07
3.6E-06
1.4E-07
5.4E-06
8.5E-07
1.2E-10
1.5E-06
7.4E-06
3.6E-06
2.1E-06
5.4E-06
7.7E-06
1.2E-10
1.4E-06
7.4E-06
2.1E-06
2.1E-06
6.4E-07
7.7E-06
7.6E-06
1.4E-06
2.6E-07
2.1E-06
2.0E-07
6.4E-07
1.3E-07
7.6E-06
4.6E-08
2.6E-07
1.2E-07
2.0E-07
1.2E-10
1.3E-07
0.0E+00
4.6E-08
1.8E-11
1.2E-07
3.9E-06
[(mSv/h)/(kBq/m2)]
1 ヶ月目
4.5E-03
6.4E-05
1.1E-04
1 ヶ月目
4.5E-04
4.5E-03
2.2E-05
6.4E-05
3.2E-03
1.1E-04
2.6E-03
4.5E-04
2.4E-03
2.2E-05
NC
3.2E-03
2.3E-04
2.6E-03
2.3E-05
2.4E-03
3.7E-06
NC
1.8E-07
2.3E-04
3.4E-05
2.3E-05
2.5E-07
3.7E-06
1.1E-04
1.8E-07
1.2E-06
3.4E-05
2.0E-04
2.5E-07
6.9E-04
1.1E-04
7.8E-05
1.2E-06
1.7E-04
2.0E-04
2.5E-04
6.9E-04
1.9E-05
7.8E-05
4.5E-05
1.7E-04
8.1E-06
2.5E-04
3.7E-05
1.9E-05
NC
4.5E-05
NC
8.1E-06
NC
3.7E-05
NC
NC
NC
NC
NC
NC
2.7E-03
NC
7.0E-07
NC
1.9E-03
NC
9.9E-04
2.7E-03
NC
7.0E-07
7.0E-04
1.9E-03
NC
9.9E-04
2.0E-03
NC
3.2E-04
7.0E-04
9.9E-05
NC
1.5E-04
2.0E-03
4.0E-08
3.2E-04
2.2E-08
9.9E-05
6.0E-05
1.5E-04
4.4E-06
4.0E-08
NC
2.2E-08
3.5E-06
6.0E-05
2.0E-03
換算係数 CF4b
沈着からの実効線量
手順書 E3 4/6 ページ
[(mSv/kBq/m2)]
2 ヶ月目
50 年
換算係数 CF4b
3.9E-03
3.9E-02
沈着からの実効線量
5.8E-05 2
8.6E-04
[(mSv/kBq/m )]
1.1E-04
9.2E-03
2 ヶ月目
50 年
3.5E-04
2.2E-03
3.9E-03
3.9E-02
1.7E-05
1.2E-04
5.8E-05
8.6E-04
3.2E-03
7.0E-01
1.1E-04
9.2E-03
2 7.8E-03
1.7E-03
3.5E-04
2.2E-03
4.2E-04
2.9E-03
1.7E-05
1.2E-04
NC
NC
3.2E-03
7.0E-01
1.1E-06
2.3E-04
1.7E-03
7.8E-03
4.9E-08
2.3E-05
4.2E-04
2.9E-03
3.6E-08
3.7E-06
NC
NC
0.0E+00
1.8E-07
1.1E-06
2.3E-04
2.7E-05
1.6E-04
4.9E-08
2.3E-05
9.7E-16
2.5E-07
3.6E-08
3.7E-06
5.4E-05
2.2E-04
0.0E+00
1.8E-07
3.8E-08
1.2E-06
2.7E-05
1.6E-04
3.3E-06
2.0E-04
9.7E-16
2.5E-07
1.1E-06
6.9E-04
5.4E-05
2.2E-04
5.2E-05
2.4E-04
3.8E-08
1.2E-06
1.6E-04
3.4E-02
3.3E-06
2.0E-04
1.8E-05
2.7E-04
1.1E-06
6.9E-04
0.0E+00
1.9E-05
5.2E-05
2.4E-04
0.0E+00
4.5E-05
1.6E-04
3.4E-02
0.0E+00
8.1E-06
1.8E-05
2.7E-04
0.0E+00
3.7E-05
0.0E+00
1.9E-05
NC
NC
0.0E+00
4.5E-05
NC
NC
0.0E+00
8.1E-06
NC
NC
0.0E+00
3.7E-05
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
2.5E-03
5.1E-03
NC
NC
3.9E-07
8.5E-06
NC
NC
3.6E-04
2.3E-03
NC
NC
9.4E-04
1.3E-01
2.5E-03
5.1E-03
NC
NC
3.9E-07
8.5E-06
6.6E-04
4.8E-02
3.6E-04
2.3E-03
NC
NC
9.4E-04
1.3E-01
4.4E-03
2.5E-03
NC
NC
1.2E-09
3.2E-04
6.6E-04
4.8E-02
4.9E-05
2.0E-04
NC
NC
1.3E-04
1.4E-03
4.4E-03
2.5E-03
0.0E+00
4.0E-08
1.2E-09
3.2E-04
0.0E+00
2.2E-08
4.9E-05
2.0E-04
5.7E-05
5.8E-03
1.3E-04
1.4E-03
4.1E-06
1.0E-04
0.0E+00
4.0E-08
NC
NC
0.0E+00
2.2E-08
3.3E-06
5.9E-04
5.7E-05
5.8E-03
1.9E-03
1.6E-01
[mSv/(kBq/m )]
IAEA, Generic Procedures for
Assessment and Response during
Radiological Emergency, 2000
最後に
•  ミクロな物理現象は確率的
•  放射線の発生、崩壊、物質との相互作用も確率
的事象
•  放射線の測定は確率的事象の頻度の測定
•  頻度分布は確率分布(ポアソン分布など)
•  すべての測定値には、原理的に精度（統計精
度）が伴う
•  感度は０まで下げられない
•  「統計的有意性」に留意!
100
(10%
)
110