原子核と放射線

■原子核の構造 炎が燃え上がっても「ビクともしない」原子核にも、実は

「中身」がある。原子核は、^なかみ 陽子、^{ようし ちゅうせいし}中性子と呼ばれる粒子が^*12、核力という強 い力で結びつけられてできた小さな^かたまり塊 なのだ（図 2.3）。

原子核を作っている陽子と中性子の個数がわかれば、その原子核の種類がわ かる。陽子と中性子の個数の合計を質量数と呼ぶ。陽子の個数が（その原子核 を含む原子の）原子番号である^*13。そして、原子核の種類（「核種」と言うこ

*11とは言っても、ぼくらの日常生活のエネルギーの源になっている太陽は、原子核が変化する

かくゆうごうはんのう

核 融 合 反 応 によって光を出している。原子核が変化しなければ太陽は光らないのだ。そ れ以前に、原子核が変化しない宇宙では、様々な原子核が合成されることもないので、ぼく たちが見ているような世界は絶対にできない。

*12理系読者向けの注意：陽子も中性子も、大きさは10⁻¹⁵ m程度で、質量もほぼ等しくて約 1.7×10⁻²⁷ kgである。ただし、陽子は+eの電荷を持ち、中性子は（名前のとおり）電 荷をもたず中性である。陽子も中性子も素粒子ではなく、クォークと呼ばれる素粒子が3 つ集まってできた粒子だということがわかっている。

*13理系読者向けの注意：一般に、質量数をAと書き、原子番号をZと書く。陽子の持つ正の 電荷と電子の持つ負の電荷は、正負が異なるだけで、大きさは完全に等しい。電子と陽子の 個数が等しいと、原子全体はちょうど電気的に中性になる。

2.2 原子核と放射線 15 ともある）を表わすときには、

質量数

137

Cs

55

元素記号 原子番号

という風に、元素記号（この場合はセシウムのCs）の左上に質量数を書き、左 下に原子番号を書く。ただし、元素記号がわかれば原子番号は一つに決まるの で、¹³⁷Csのように、質量数だけを書くことも多い。また名前で呼ぶときには、

「セシウム 137 」とか「ヨウ素 131」のように、原子（元素）の名前のあとに 質量数をつける。

■原子核の崩壊 好き勝手な個数の陽子と中性子を集めてやれば、それで原子 核ができるというわけではない。陽子と中性子のあいだに働く力がうまくつり 合って、ちゃんと原子核ができるためには、陽子と中性子の個数が^じょうず上手にバラ ンスしていなくてはいけないのだ。

たとえば、陽子 55 個と中性子 78 個からできているセシウム 133（¹³³₅₅Cs） という原子核では、陽子と中性子の個数がちょうどよくバランスしている。そ のため、セシウム133はしっかりとした^あんてい安定な原子核である。

同じセシウムの原子核でも、安定なセシウム133に比べると中性子の個数が ずれてしまった原子核もある。すぐ上に登場したセシウム 137（¹³⁷₅₅Cs）の原 子核は、陽子55 個と中性子 82 個からできている。セシウムだから陽子は55 個と決まっているのだが^*14、セシウム133に比べて中性子が4個多い。実は、

この原子核は原子力発電の^{ふくさんぶつ}副産物として作られる。

このように（バランスした状態に比べて）中性子が多すぎる原子核は「不安定」^{ふあんてい} である。どういうことかと言うと、セシウム 137 も、しばらくは自分の姿を 保っていられるのだが、ある程度の時間が経つと、やはり自分はバランスが崩^た れていることを自覚してしまう。けっきょくは「ダメだぁ〜」という感じであ きらめて、バリウム 137（¹³⁷₅₆Ba）という安定な原子核に姿を変えてしまうの だ（図2.4）。

*14元素の名前が決まれば、原子番号が決まる。そして、陽子の個数は原子番号に等しい。

16 第2章 放射性物質と放射線 137

55

Cs

Ba

ベータ線 ガンマ線

図2.4 不安定なセシウム 137の原子核は崩壊して（短命な中間状態を経 て）安定なバリウム137の原子核に姿を変える。この際に、高いエネルギー の光子（ガンマ線）と電子（ベータ線）が外に飛び出てくる。

こうやって不安定な原子核が別の原子核に変わってしまうことを^ほうかい崩壊と言 う。不安定な原子核が崩壊すると、最終的には、安定な原子核へと変化する。

すぐ後で説明するが、原子核の崩壊の際には放射線が外に飛び出てくる。つま り、原子の中心でずっしりと構えていた「ビクともしない」原子核も、実は、

変化することがあるということだ。これは、20世紀前半の実に驚くべき発見 の一つだった。

■放射線 セシウム137がバリウム137に姿を変えるとき、外に、光子（光 の粒）と電子が一つずつ飛び出してくる（図 2.4）。これら光子と電子は、高い エネルギー（正確には、運動エネルギー）を持っている^*15。前に登場したeV

（エレクトロン・ボルト、電子ボルト）の単位で測ると、光子のエネルギーは約 60万eV、電子のエネルギーは平均で約20万eVだ^*16。水素分子2個と酸素 分子1個が反応するときに出てくるエネルギーが5 eV ^{だったことを思い出そ} う。なんと10万倍以上のエネルギーが放出されることになる。

これは、今の例にかぎったことではない。一般に、原子核の崩壊に^ともな伴うエ ネルギーは、化学反応に伴うエネルギーに比べると、^けたちが桁違いに大きいのだ。こ のようなエネルギーの大きさの違いは、放射線を理解していく上できわめて重

*15エネルギーについては、付録A.1^を見よ。

*16理系読者向けの注意： セシウム137からのガンマ線（光子）のエネルギーは（ほぼ）定まっ ているが、ベータ線（電子）のエネルギーは広い分布を持っている。ここにはベータ線のエ ネルギーの平均値を引用した。

2.2 原子核と放射線 17 要になってくる^*17。この点については、2.5 節でじっくりと議論する。

言うまでもないだろうが、このような高いエネルギーを持った光子や電子の 流れが（この本の主要なテーマの）放射線だ。光子の流れをガンマ線、電子の 流れをベータ線と呼ぶ。

■放射性同位元素 普通のセシウムの原子は、（安定な）セシウム133の原子 核と、その^しゅうい周囲をまわる55個の電子からできている。これにそっくりな「変 なセシウム原子」が何種類かある。やはり電子は55個あって、まわり方も「普 通のセシウム原子」の場合とほぼ完璧に同じなのだけれど、真ん中にいるの が、たとえば、セシウム137の原子核なのだ。つまり、普通の原子の真ん中に いる安定な原子核を、同じ種類の不安定な原子核に置き換えてしまったという ことだ。

このような、セシウム137が真ん中にいる原子も、原子核がほんの少しだけ 重いことを別にすれば、普通のセシウム原子とそっくりだ。化学反応や化学結 合の仕方も、普通のセシウム原子とほとんど区別がつかない^{しかた *18}。化学の分野 では、このような不安定な原子核が中心にいる原子^*19のことを放射性同位元 素と呼んでいる。もとの元素（この場合はセシウム）と同じ化学的性質を持つ から「同位元素」であり、放射線を出すから「放射性」というわけだ。

単に「セシウム137」というときには、原子核の種類（核種）を表わすこと もあれば、放射性同位元素（つまり、物質の種類）を表わすこともある。この 本でも両方の意味で使っているが、混乱は生じないと思う。

さて、これでだいたい役者はそろった。新しい節に移って、放射性物質や放 射線についてしっかりとまとめよう。

*17もちろん、何十万eVと言っても、日常的なスケールから言えば、まだまだとても小さなエ ネルギーに過ぎない。しかし、放射線を作っている個々の粒子のエネルギーがきわめて高 いために、放射線は独特の性質（特に生体への影響）を持つことになる。これは、4.3 ^節の 重要なテーマになる。

*18化学反応や化学結合で^しゅやく主 役 を^えん演 じるのは電子だったことを思い出そう。

*19「元素」だから、正確には「原子の種類」。脚注*2^を見よ。

18 第2章 放射性物質と放射線