11.1:

学習目標

• 放射能の主な種類を定義し、その例を挙げる。 陽子と中性子は原子核にあり、原子の質量の大部分を提供し、電子は殻や副殻で原子核を取り囲み、原子の大きさを決定しています。 ある原子の同位体を簡潔に表す表記を覚えておこう。

  この例でCという記号で表される元素は炭素である。 原子番号6が記号の左下の添え字で、原子に含まれる陽子の数です。 質量数は記号の左上の上付き文字で、この特定の同位体の原子核に含まれる陽子と中性子の数の和です。 この場合、質量数は12であり、原子の中性子の数は12-6＝6（つまり、原子の質量数から原子核の陽子の数を引いたものが中性子の数となる）であることを意味する。 元素の記号そのものが特徴的な原子番号を伝えるため、この表記では原子番号が省略されることもある。 水素の同位体である2Hと3Hには、それぞれ重水素（D）、三重水素（T）という名前がつけられている。 また、炭素12や水素3のように元素名の後に質量数を記載することで、特定の同位体を表現する方法もあります。

  19世紀の原子論では、原子核は一定の組成を持つと仮定されていました。 しかし1896年、フランスの科学者アンリ・ベクレルが、ウラン化合物を写真皿に近づけると、黒い布に包んであっても写真皿に像が写ることを発見した。 これは、ウラン化合物から出る放射線が布を透過して写真皿に写ったのだと考えた。 そして、その放射線は粒子と電磁波の組み合わせであり、その最終的な発生源は原子核であることを突き止めたのである。 7546>

  放射性物質の放出には、主に3つの形態があります。 一つはアルファ粒子と呼ばれるもので、ギリシャ文字のαで表わされる。 アルファ粒子は2個の陽子と2個の中性子で構成されているので、ヘリウム原子核と同じものである。 (アルファ粒子を表すのに、よく \ce{^{4}_{2}He}} を使う)。 電荷は2+です。 放射性原子がアルファ粒子を放出すると、元の原子の原子番号が2つ減り（陽子が2つ減るから）、質量数が4つ減る（核粒子が4つ減るから）。 例えば、ウラン235のアルファ粒子の放出は次のような化学式で表せます：

  反応による生成物はどのようにしてわかるのでしょうか？ 物質は生成も破壊もできないという物質保存の法則を利用します。 つまり、化学式の両辺にある陽子と中性子の数は同じでなければならないのです。 ウランの原子核から陽子が2個失われた場合、90個の陽子が残り、トリウムという元素が特定されます。 さらに、元の235の核粒子を4個失うと、231が残ります。 このように、引き算でトリウム原子の同位体を特定するのですが、この場合は \ce{^{231}_{90}Th} となります。

  化学者は、α粒子以外の元の原子と生成物を表すのに、親同位体と娘同位体という名前をよく用います。 先ほどの例では、 \ce{^{235}_{92}U} が親同位体、 \ce{^{231}_{90}Th} が娘同位体である。 このように、ある元素が別の元素に変化することを放射性崩壊といいます。 ラドン222

  アルファ粒子放出によるラドン222の放射性崩壊を表す核反応式を書き、娘同位体を特定せよ。

  解答

  ラドンは原子番号86なので、親同位体(Rn)を \ce{^{222}_{86}Rn}で表現する。 α粒子は、 \ce{^{4}_{2}He} と表し、引き算（222 – 4 = 218, 86 – 2 = 84）で娘同位体をポロニウムの同位体である \mathrm{^{218}_{84}Po} を特定する。

  (\ce{_{86}^{222}Rnrightarrow \, _2^4He + \, _{84}^{218}Po})

練習問題 \(\PageIndex{1}): Polonium-209

ポロニウム209のα粒子放出による放射性崩壊を表す原子核方程式を書き、娘同位体を同定せよ。

Answer

Centa(\ce{_{84}^{209}Porightarrow \, _2^4He + \, _{82}^{205}Pb})

放射性放出の第二の主要タイプは、ギリシャ文字βで表されるβ粒子と呼ばれています。 ベータ粒子は原子核から（原子核の周りの電子殻からではなく）飛び出した電子で1-個の電荷を持っているものです。 また、β粒子は \ce{^0_{-1}e} または β- と表すこともできる。 ベータ粒子が原子核に放出されると、中性子が陽子に変換されます。 全体の質量数は変わりませんが、陽子の数が1つ増えるので、原子番号が1つ上がります。 炭素14はベータ粒子を放出して崩壊します：

ここでも、原子番号の和は質量数の和と同様に両側で同じになります。 (電子は電荷と等しい1-という「原子番号」を割り当てられることに注意してください。)

放射性放出の3番目の主要なタイプは粒子ではなく、ガンマ線という非常にエネルギーの高い電磁放射で、ギリシャ文字のγで表されます。 ガンマ線自体は全体の電荷を持っていませんが、物質のサンプル内の原子から電子を取り出して電荷にする場合があります（このためにガンマ線は電離放射線と呼ばれています)。 例えば、ラドン222の放射性崩壊では、アルファ線とガンマ線の両方が放出され、後者のエネルギーは崩壊する原子核1個あたり8.2×10-14Jである：

これは大したエネルギーではないように思えるが、もし1mLのラドン原子が崩壊するとガンマ線のエネルギーは4900万kJとなる！

α、β、γの放出は物質を透過する能力が異なる。 比較的大きなアルファ粒子は物質によって簡単に止められます（ただし、接触した物質にはかなりのエネルギーを与える可能性があります）。 ベータ線は数センチ程度にしか透過しません。 ガンマ線は物質の奥深くまで浸透し、周囲の物質に大きなエネルギーを与えることができる。 表 ⑭は主な3種類の放射性物質の性質をまとめたものです。 放射性物質の種類によって、ペントレーションの強さが異なる。 (CC BY-NC-SA 3.0; anonymous)

アルファ粒子

の3つのタイプからなる放射線が放出する。 \(\mathrm{_{2}^{4}He}\)

。

時折あること。 は、自然核分裂（または核分裂）と呼ばれる放射性プロセスで、原子核がより小さな断片に分解されます。 通常、核分裂によって生成される娘核種は、アルファ粒子放出やベータ粒子放出のように特定の同位体ではなく、様々な生成物の混合物である。 しばしば、核分裂は過剰な中性子を発生させ、それは時に他の原子核に捕獲され、場合によってはさらなる放射性事象を誘発する。 ウラン235はわずかながら自発核分裂を起こします。 典型的な反応として

があり、ここで( \ce{_0^1n}) は中性子である。 他の核過程と同様に、原子番号と質量数の和が式の両側で同じであることが必要である。 自発核分裂は大きな原子核にのみ見られる。 自発核分裂を示す最小の原子核は鉛208である。

核分裂は原子力発電所やある種の核爆弾で使用される放射性プロセスである。