原子と放射線

原子核

電磁気学の章で原子核について学びましたが，この原子核についてもう少し詳しく見てみましょう。

原子核は，正の電荷 $e\C$（電気素量）を持つ陽子と，電荷を持たない中性子によって構成されているのでした。

この原子核に含まれる陽子の数によって原子の種類が決まります。

陽子が1つであれば水素，2つであればヘリウム，といった具合です。この陽子の数のことを原子番号と呼びます。

中性子の数は必ずしも陽子の数と等しいとは限りません。

陽子と中性子を合わせた数は質量数と呼ばれます。

原子核を表現する際には，元素記号の左上に質量数，左下に原子番号をつけて表します。

たとえば，$^6_3\mathrm{Li}$ の中には，2つの陽子と2つの中性子が含まれます。

同位体

先ほど述べたように，中性子の数は必ずしも陽子の数と同じとは限りません。

すなわち，原子番号が $1$ の水素でも，中性子が $1$ つ含まれるもの $\left(^2_1\rmH\right)$ や $2$ つ含まれるもの $\left(^3_1\rmH\right)$ が存在するということです。

このような，同じ元素であっても中性子の数が異なるものを同位体と呼びます。

原子力発電

原子力発電では，ウランやプルトニウムといった原子番号が大きくて不安定な原子を核分裂させています。

その際に発生する熱エネルギーを利用して発電します。

共通テストではひっかけの選択肢としておなじみなのですが，「核融合」ではありません。「核分裂」ですのでくれぐれも注意して下さい。

原子力発電では，放射性廃棄物が生じてしまうため，その処理方法が問題となっています。

放射線

原子核は原子核でも，安定なものと不安定なものが存在します。

原子番号が大きくなると原子核に含まれる陽子，中性子の数が大きくなるため，ウランやラジウムといった原子の原子核は不安定なことが知られています。

このような原子核は，自然に分裂することが知られていますが，この際に放射線が放出されます。

放射線には，$\alpha$線，$\beta$線，$\gamma$線の3種類が存在し，それぞれ以下の性質を持っています。

「この表，暗記しないといけないのか，もう無理勘弁して…！」と思った皆さん，安心して下さい。

この表は「実体」のところだけ覚えれば残りの部分はその場で考えることができます。

「実体」は覚えるしかないので，ここの部分は頑張って覚えましょう。

電荷

$\alpha$ 線はヘリウムの原子核ですから，陽子2つと中性子2つによって構成されています。

電荷はいくつでしょうか…？陽子2つが持つ電荷は $+2e$，中性子2つが持つ電荷は $0$ ですから，合計すると $+2e$ です。

$\beta$ 線については電子ですから電荷はそのまま $-e$，$\gamma$ 線は電磁波（光）ですから電荷を持ちません。

透過力

これは放射線がどれだけ他の物質を通過しやすいかを表しています。

$\alpha$ 線は陽子2つと中性子2つ，$\beta$ 線は電子1つ，$\gamma$ 線はただの電磁波です。

大きいもののほうが物質を通り抜けるのは大変ですから，通り抜けやすさの順に並べると，

$$\stext{$\gamma$ 線}>\stext{$\beta$ 線}>\stext{$\alpha$ 線}$$となることは納得できるのではないでしょうか。

$\gamma$ 線が最も他の物質を通り抜けやすく，鉛の板のようなものでないと遮蔽できません。

電離作用

最後に「電離作用」ですが，これは通り道にある他の原子や分子に含まれる電子を電離させる作用を表しています。

何だか難しく感じるかもしれませんが，「他の物質にぶつかったときに電子を弾き飛ばす力の大きさ」だと思って下さい。

これは先ほどの「透過力」とは逆で，より大きな $\alpha$ 線が一番強そうですよね。実際，電離作用の強さは，

$$\stext{$\alpha$ 線}>\stext{$\beta$ 線}>\stext{$\gamma$ 線}$$となります。

イメージしにくければ，「電離作用の強さの順は透過力の順の逆！」と暗記してしまってもよいと思います。

放射線の単位

放射線の測定単位には様々なものがあります。

他の物質に与えるエネルギーの大きさや，人体に対する影響の大きさなど，異なる視点から定められています。

ベクレル

$\punit{Bq}$ と表記します。

放射能を出す側に注目した単位です。放射能（自然に放射線を出す性質）の強さを表します。

$1\s$ あたりに崩壊する原子核の数を示しています。

グレイ

$\punit{Gy}$ と表記します。

放射能を受け取る側に注目した単位です。

他の物質に吸収される際，その物質に与えるエネルギーを用いて表します。

シーベルト

$\punit{Sv}$ と表記します。

放射線の人体への影響の大きさを表す単位です。