物質と放射線の関係性

なぜ物質科学に放射線が？

物質と放射線の関係性

• 

物質の構成要素は波動性を有する粒子である

取出せる情報手段として放射線を扱う

• 

物質は原子が電子を媒体として繋がっている（結合）

"

電子軌道が支配因子で、放射線は電子と相互作用する

• 

物質の原子サイズ、間隔は

線領域の波長などと近 接している

"

物質の探索には同等のスケールの探針を用いる

物質（材料）科学、材料研究の基本

$!

構成元素（合金、化合物）

$!

構造（結晶構造、非晶質、結晶粒サイズ）

$!

格子欠陥

構成元素種によって特性は異なる

組成比によっても変わる

同じ組成比でも温度により化合物などを形成

温度により原子配置の規則性は変化する

同じ金属（合金）でも、結晶の向きの異なる領域のサイズで特定が異なる

非晶質（アモルファス）は結晶と全く異なる性質になる

原子配置を乱すと特性も変化する

僅か

程度の不純物でも特性に影響

ナノサイズ粒子は大きな固体とは全く性質が異なる

後からの制御が容易に可能

無機材料

結晶（主な結晶系）

b a

c

!

"

#

正方晶系! ()(*+,-.+/

立方晶系 01230

六方晶系 4)5+,-.+/

a ! b ! c

! 6!# = 90°

" ! 90°

a ! b ! c

! 6!"!"!# = 90°

a = b ! c

! 6!"!"!# = 90°

a = b = c

! 6!"!"!# = 90°

a = b = c

! 6!"!"!90°

# 6 120°

三斜晶系!

!(*30/3.30 !, ", !# ! 90°

単斜晶系! 7-.-0/3.30

斜方晶系 -*(4-*4-7230

8

ブラベー格子による基本構造の分類

格子の並進対称性による周期的な配置

構造体

7-.-0/3.30 -*(4-*4-7230 4)5+,-.+/ ()(*+,-.+/

主な結晶構造

蛍石型構造、逆蛍石型構造、ペロブスカイト型構造、閃亜鉛鉱型構造、

ウルツ鉱型構造、コランダム型構造、スピネル型構造、

逆スピネル型構造、ルチル型構造、ヒ化ニッケル型構造、

ヨウ化カドミウム型構造、酸化レニウム型構造

塩化セシウム型

塩化ナトリウム型 ダイアモンド型

その他の代表的構造

9;<

六方格子型

=3>!?,>!9->!@* 9>!A3

相図（状態図）

化学成分が一定の場合、

その温度と圧力によって 状態が変化する

+

5 5

2 ^%+(7

^の

^℃、

^℃

例） 鉄の状態

同素体

温度や圧力によって同じ物質の状態は変態を起こす。

また、同じ元素からなる固体も温度や圧力によって構造が変化する（同素体）。

例） 鉄

室温

200 F00 200 G7-*H4-1;

（

）

#₇

!-Fe #-Fe $-Fe

LMM'℃

強磁性

常磁性

キュリー温度

＊構造が変化しない場合でも特性が大きく変化する場合がある

 例）磁気相転移

温度（熱エネルギー）を電子スピンに配分

相図（状態図）

Temperature

Chemical composition

G:N

二元系

O):9

二元系合金状態

$CP(QR

以下の炭素を含む合金を炭素鋼という

高温では炭素はオーステナイト（

O)

）中に完全に固溶している

T''

℃以下ではその固溶限は低く なり、フェライト（

）中で

以下となり、残りの炭素は

と なってマトリクス中に析出する

パーライト

組織の変化

200 F00

原子空孔

基本となる主な結晶欠陥

格子間原子

転位

不純物

これらの複合型や集 合体も格子欠陥であり、

その状態によって様々 な性質の変化が生じる

全ての物質に存在

表面

（熱W平衡） （変形など外的要因）

（汚染、添加）

（自然発生しない外的要因）

XBY

主な格子欠陥の分類

• 

点欠陥（

– 

原子空孔

– 

格子間原子

– 

不純物（置換型、侵入型）

• 

線欠陥

– 

転位

• 

面欠陥

–  _Y

ゾーン

– 

積層欠陥

• 

３次元欠陥

– 

集合体・・・ボイド、析出

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!H*)03H3(+]-.!

観察（分析）しにくいもの

容易なもの多種多様

結晶粒界、表面

主な格子欠陥の分類

• 

点欠陥（

– 

原子空孔

– 

格子間原子

– 

不純物（置換型、侵入型）

• 

線欠陥

– 

転位

• 

面欠陥

–  _Y

ゾーン

– 

積層欠陥

• 

３次元欠陥

– 

集合体・・・ボイド、析出

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!H*)03H3(+]-.!

結晶粒界、表面

それぞれの発生メカニズムや

安定性は異なり複雑

主な３つの要因

熱平衡、変形、照射

点欠陥濃度の温度依存性

%&=

9_a

傾き~

原子空孔 ＊空孔は熱平衡で発生

急冷すると過剰な量の空孔を 凍結できる

転位（

）の定義

V

次元的に見ると

剪断応力

固定

N1*,)*;!03*013(

2

変形後

この変形過程で欠陥が転位の移動を阻害すると変形しにくい。ま た、空孔などの新たな欠陥が生じることもある。

すべり面

線欠陥と面欠陥の関係

刃状転位 螺旋転位

積層欠陥 面欠陥

線欠陥

すべり線の微細構造（表面）

すべり線

〜

原子直径

〜

原子直径 すべり帯

（すべり線が幾つか集まった所）

他の積層欠陥

G!

N!9!

G!N!

9!

G!N!

9

G!

N!9!

G!9!

G!

N!9

AO A(+0`3.,!O+1/(

双晶

Ⅱ．衝撃的負荷を加えたときに起こる

! !

境界 境界 双晶

Ⅰ．熱を加えたときに起こる

マトリクス中での欠陥や組織の存在形態

~

~

格子欠陥による物性変化の例

!

転   位

 機械的性質 

強度、硬さ、脆さ

! ! ! ! !

^（

^金属疲労

変形により硬くなり、脆くなる

）

!

格子間原子

 電気伝導性、強度

! ! ! ! !

^（

^{原子炉材料の特性変化}

^{量が増えると硬くなる}

^）

! ! ! ! !!

!

空   孔

 強度、電気的特性

! ! ! ! !

^（

^{宇宙用太陽電池の劣化}

! ! ! ! ! ! ! !d

放射線により特性が失われる

）

!

不 純 物

 電気特性、光学特性、磁気的特性

! ! ! ! !

^（

^{半導体、磁性体の作製}

! ! ! ! ! ! ! !d

ドーピングによるバンドやスピン制御

）

格子欠陥の主な検出（観察）方法

!

転   位

 電子顕微鏡

!

析 出 物

 電子顕微鏡、種々の元素分析

! ! !

       透過

線、中性子小角散乱

!

格子間原子

 電子顕微鏡、電気抵抗

!

空   孔

 陽電子消滅法

!

不 純 物

 電気抵抗、元素分析（

線蛍光分析、

など）

$!

構成元素（合金、化合物）

$!

構造（結晶構造、非晶質、結晶粒サイズ）

$!

格子欠陥

新しい機能性材料（物質）の創成に繋がる

制御 観察

放射線によって制御できるものもある 放射線を用いた手法が大半

キャラクタリゼーション

照射効果

物質の特性に影響する要素

• 

構成元素

• 

結晶（周期性配置を有する場合）構造

• 

化合物

• 

原子結合

• 

原子間隔

• 

格子欠陥（不純物も含む）

• 

結晶粒（結晶性、粒径、粒界状態など）

• 

表面状態（粗さ、反応性、サイズなど）

放射線のうち、電子との相互作用の強い場合、原子から電子をはぎ取り、

原子をイオン化させるもの

 電離放射線

高エネルギー物質粒子（アルファ線、

線、中性子、陽子、重イオン、中間子な ど）と高エネルギーの電磁波（ガンマ線、

線など）

上記のように放射線には複数の種類があり、それぞれが物質や 原子分子との異なる相互作用を示す。

そのため、それらを利用することによって、物質の評価、物質の 改質など、物質科学に多くの恩恵をもたらしている

我々は、これらの恩恵をブラックボックス

として利用している事が多い