原子核の構造と放射線
原子核は陽子と中性子で構成され、不安定な核は放射線を放出して崩壊します。α・β・γ 各崩壊の性質を学びます。
基本知識
原子核の表記: ₍Z₎^A X（X: 元素記号、A: 質量数、Z: 陽子数）
中性子数 N = A − Z
同位体（アイソトープ）: Z が同じで A が異なる原子核。
放射線の3種類:
① α 線: ₂⁴He（ヘリウム核）の放出。電離作用強・透過力弱。₍Z₎^A X → ₍Z-2₎^(A-4) Y + ₂⁴He
② β 線: 電子（β⁻）の放出（中性子 → 陽子 + 電子 + 反ニュートリノ）。₍Z₎^A X → ₍Z+1₎^A Y + e⁻ + ν̄
③ γ 線: 高エネルギー電磁波の放出。透過力最強、電離作用弱。
放射能の単位: Bq（ベクレル）= 1 崩壊/秒、Sv（シーベルト）= 生体への影響量
質量数 A・陽子数 Z（A = Z + N。核の種類を指定）
α 崩壊（Z が 2 減、A が 4 減。ヘリウム核放出）
β 崩壊（Z が 1 増、A 不変。電子放出）
γ 崩壊（Z・A 不変。励起核から高エネルギー光子放出）
半減期 T₁/₂（放射性同位体の個数が半分になる時間）
Bq（ベクレル）・Sv（シーベルト）（放射能の強さ/生体への影響の単位）
深掘り (背景・意義)
半減期 T₁/₂: 残存量 N(t) = N₀ × (1/2)^(t/T₁/₂) = N₀ e^(−λt)（λ: 崩壊定数）。T₁/₂ = ln2/λ ≈ 0.693/λ。
半減期は物質や温度・圧力によらず一定であるため、放射性年代測定（炭素 ¹⁴C 法など）に利用されます。¹⁴C の半減期は約 5730 年で、考古学・古生物学で広く活用されます。
3種類の放射線の透過力の目安:
・α 線: 空気中数 cm、紙1枚で遮蔽
・β 線: アルミニウム数 mm で遮蔽
・γ 線: 鉛・コンクリートの厚い板が必要
β 崩壊でニュートリノが放出されることはパウリが1930年に予言し、その後実験で確認されました。
- α 崩壊: Z → Z−2、A → A−4
- β 崩壊: Z → Z+1、A 不変
- γ 崩壊: Z・A 変わらず
- 透過力: γ > β > α
- 電離作用: α > β > γ
- 半減期: N = N₀(1/2)^(t/T₁/₂)
- ¹⁴C 半減期 ≈ 5730 年（年代測定に利用）
注意点 (混同しやすい)
① α 崩壊と β 崩壊で Z が変わる → 元素が変わる（変換）。② γ 崩壊は Z・A が変化しない（元素は変わらず、核の励起エネルギーが光子に）。③ 透過力と電離作用は逆の関係。④ 半減期は種類によって ps 以下から数十億年まで様々。
練習
- ²³⁸₉₂U が α 崩壊するとき、生成される核の質量数と陽子数を求めよ。
- 半減期 8 日の ¹³¹I が 24 日後に最初の何分の何になるか。
- α・β・γ 線の透過力を強い順に並べ、各線の正体も書け。