2 原 子 と 原 子 核 p130 原 子 は 原 子 核 とそのまわりを 回 る 電 子 からなる 原 子 原 子 核 e は 素 電 荷 : C 電 子 電 荷 : -e 質 量 : kg 陽 子 電 荷 : +e 質 量 : kg

期末試験について

このスライドの穴埋め部分（計算問題を含む）

の関連しか出ません。

試験は

A4

で

1

枚分くらいの分量です。

①

放射線は看護師として必要な知識だと思います。

それ以外の部分も授業中はしっかりと

理解するように努めて下さい。

試験対策は穴埋め・計算問題関連だけでよいです。

原子と原子核

p130

原子

原子核

電子

電荷： －e 質量：9.11×10 －31 kg e は素電荷 : 1.6×10 －19 C

原子は、

原子核

とそのまわりを回る

電子

からなる。

②

陽子

中性子

電荷： ＋e 質量：1.673×10 －27 kg 電荷： 0 質量：1.675×10 －27 kg

原子核の大きさは

原子の

1

万分の１以下

陽子と中性子をあわせて

核子

という

陽子，中性子，電子の質量

（

10

－24

g

）

電子を

1

陽子

1.6726

1836

中性子

1.6749

1839

電子

0.00091

1

問題：アボガドロ数 6.022×1023の 逆数を計算してみよ。 水素（陽子1＋電子1）1molは約 1g

③

1/6.022

×

10

23

= 1.661

×

10

－24 陽子，中性子の質量との違いは1%以下

・ 陽子と中性子の質量は

ほぼ同じ

・ 陽子・中性の質量は、電子の約

2000

倍

（電子の質量は無視できる）

→

原子の質量は（陽子数

Z

＋中性子数

N

）にほぼ比例

陽子数

Z

＋中性子数

N

を

質量

数

A

という。

同位体（アイソトープ）

電子

陽子

中性子

元素の種類は原子核内の陽子の数 Z で決まる。これを 原子番号 という。 同じ元素で、中性子の数が異なる原子を 同位体（アイソトープ） という。

④

放射線を出して 別の原子核にかわる 放射性同位体 （ラジオアイソトープ）

H

1 1

H

2 1

H

3 1 水素 重水素 三重水素 （安定） （安定） （不安定）

陽子

存在比 99.985% 存在比 0.015% （トリチウム） 質量数 原子番号

同位体（アイソトープ）②

他の同位体の例：

C

，

，

12 6

C

13 6

C

14 6

同位体の名称（呼び方）：元素名の後に質量数をつける。

例：放射性同位体である

の名称は

（安定） （安定）

C

14 6 存在比（％）： 98.93 1.07

炭素１４

⑤

（重水素のように特別の名前のあるものもある）

C

6

U

235 92 問題：原子力発電等利用されるウラン235の原子核の中にある中性子の数はいくつか 原子番号の小さい原子核は、陽子数と中性子数はほぼ等しい。 原子番号の大きい原子核は、中性子の方が多い。 （陽子がたくさんあると、電気的な反発力が大きくなって不安定になるから）

235

－

92 = 143

放射線

放射線の種類

α

線

，

β

線

，

γ

線

，

X

線

，

・・・

（電子をはぎとることができる） はじきとばす

⑥

電離作用

を有する

高いエネルギーを持った電磁波や粒子線

p p n n

He

4 2

高速で運動する

ヘリウム

の原子核

高速で運動する

電子

波長の短い

電磁波

電離と励起

荷電粒子（電荷を持った粒子）の場合

（

α

線、

β

線、等）

荷電粒子が通過する際、飛跡にそって電離・励起が起こる。

荷電粒子

電離

陽イオン イオン対

⑦

励起

電離 励起 自由電子 原子核 電子 基底状態の原子 空席 励起状態の原子 電離・励起が 直接・間接的に DNA等を傷つけ 生物に悪影響を 及ぼす。

電離と励起

電磁波（

X

線，

γ

線）の場合

Ｘ線・γ 線は電荷を持たないので、飛跡に 沿って電離・励起は起こらない 電子との散乱 （コンプトン散乱）

⑧

光電効果 原子全体と相互作用 Ｘ線・γ線は消滅 光電子 光電子の飛跡に 沿って電離・励起が起こる。

粒子（光子）としての電磁波

ピッピッと音がでる毎に ガンマ線光子を検出 （１個，２個と数えることができる：粒子の性質） 検出器の中でガンマ線が コンプトン散乱や光電効果を起こしている

放射線（ガンマ線）測定器

⑨

可視光領域の電磁波も １個２個と数えることができる。 光子１個のエネルギー：

E =

h

c

λ

電磁波は波の性質も粒子の性質も持っている。 波長λが短いとエネルギーが 大きい 光速 c プランク定数 h

原子核，原子のサイズ

0.4

～

0.8

µ

m

アンテナのサイズ

電磁波（光子）の種類

短い

短い

短い

短い

波長

波長

波長

波長

λλλλ

（波としての性質）

（波としての性質）

（波としての性質）

（波としての性質）

長い

長い

長い

長い

ラジオ

ラジオ

ラジオ

ラジオ

ストーブ

ストーブ

ストーブ

ストーブ

レントゲン

レントゲン

レントゲン

レントゲン

PET 吉田

⑩

ガンマ線

X

線

紫外線

可視光線

赤外線

電波

大きい

大きい

大きい

大きい

光子

光子

光子

光子のエネルギー

のエネルギー

のエネルギー

のエネルギー

E

小さい

小さい

小さい

小さい

化学結合の エネルギー 放射線 がんの原因になる 放射線でない がんの原因にならない O Ｈ Ｈ 結合切れる 結合切れない 吉田

α

崩壊

大きな原子核は陽子の電荷のために

α

線は高速で運動しており、

U

238 92

Th

234 90

+

He

4 2

αααα

線

線

線

線

例：

ウラン _トリウム 質量数（核子の数） 原子番号 （陽子の数）

⑪

大きな原子核は陽子の電荷のために 互いに反発力が発生し、不安定である。 （電気力による位置エネルギーが大きい） 電磁力はすべての陽子に作用するので 電気力による反発力は原子番号が 大きくなるほど大きい。

α

線は高速で運動しており、 電子はまとっておらず 裸のヘリウム原子核となっている。 α線を含めると陽子の数や中性子の数は 崩壊の前後で変化していない。 親核と比べると、 娘核の原子番号は ２減り ， 質量数は ４ 減る。

霧箱

⑫

過冷却状態の気体（エチルアルコール）の中に荷電粒子の放射線を入射させると、 その飛跡に沿って気体分子のイオン化（電離）が起こり、 そのイオンを凝結核として雲ができ飛跡が観測される。 背景を黒にし、横から光を当てると白い雲の飛跡が見やすい。 このような荷電粒子の飛跡を観察できる装置を 霧箱 という。 （動画参照） アルファ線は気体中でも数ｃｍ程度しかすすめない。 1000

サイエンスの森

http://sciwood.com/

参照

You Tube 「霧箱 対流型霧箱の作り方 How to make a cloud chamber」参照 You Tube 「霧箱 アルファ線の散乱（１） cloud chamber」参照

ユークセン石（

α

線源）

（Ｙ，Ｃａ，Ｃｅ，

Ｕ

，

Ｔｈ

）（Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）

2

Ｏ

6 ウラン，トリウム 238

_U

234

_{Th +}

4

_He

（

α

）

232

_Th

228

_{Ra +}

4

_He

（

α

）

⑬

原子番号は省略されることもある 実験 放射線測定器を ユークセン石に 近づけてみる。

β

崩壊（

β

－

崩壊）

H

3

He

3

電子（

β

線）

中性子 陽子

最大

18.6 keV

例：

3

_{H →}

3

_{He + e}

－

+

ν

_e 式で書くと 反電子ニュートリノ 三重水素 トリチウム

⑭

原子番号は １ 増える

H

3 1

He

3 2 物質の階層を下げて考えると

中性子

→

陽子

+ e

－

+

ν

_e

電子（

β

線）

中性子 陽子 反電子ニュートリノ 原子番号は １ 増える 質量数は 変わらない。

反粒子

質量が等しく、電荷など正負の属性が逆の粒子

例１：電子の反粒子は

陽電子

（電荷

+ e

）

電子の反粒子は特別に陽電子という名前がある。

例２：陽子の反粒子は反陽子（電荷

－

e

）

electron positron

⑮

例２：陽子の反粒子は反陽子（電荷

－

e

）

普通は反・・・という。

粒子と反粒子が出会うと対消滅し、

すべての質量がエネルギーに変換される。

例：電子＋陽電子

２つの光子

β

＋

崩壊

F

18 9

O

18 8

例：

陽電子（β ＋ 線） 最大634 keV PET で利用 18

_{F →}

18

_{O + e}

+

₊

ν

e 式で書くと 電子ニュートリノ （陽電子崩壊）

⑯

原子番号は １減る 質量数は 変わらない。

F

9 8 物質の階層を下げて考えると

陽子

→

中性子

+ e

+

+

ν

_e

陽電子

（

β

+

線）

電子ニュートリノ

陽子

中性子

質量数は 変わらない。

半減期

放射性同位体等の半分が崩壊する期間。（崩壊して半分に減る期間）

半減期の２倍の期間では、

４分の１

に減る

半減期の３倍の期間では、

８分の１

に減る

N(t) = N

₀

( )

1

2

t T

N

₀

：

時刻

t = 0

における放射性同位体の数

N(t)

：

時刻

t

における放射性同位体の数

T

：

半減期

⑰

例：

F 110

分

18

2

_T

_：

_半減期

N

₀

N

₀

/2

N

₀

/4

T

2T

N(t)

例：

F 110

分

H 12.3

年

Cs 30.2

年

K 12.5

億年

U 44.7

億年

3 1 137 55 40 19 238 92 18 9

放射線の透過力

皮膚の表面（角質層）で止まる

αααα

線

線

線

線

ββββ

線

線

線

線

X

線

線

線

線

人体（

20 cm

厚）

10 皮膚表面から 1 cm 程度で止まる 人体中で９割以上が散乱・吸収 空気中では数cmで止まる 数十ミクロン

⑱

γ

線

X

線

線

線

線

10％％％％以下以下以下以下 半分程度は透過 外部から来る

αααα

線線線線は、角質層で止まるので比較的安全（角膜等は注意） しかし、体内から放出される

αααα

線線線線はたいへん危険 透過した光子のエネルギーは入射時と同じ 人体中で９割以上が散乱・吸収 人体中で半分程度が散乱 α線，β線，γ線を透過力のある 順番に並べよ。 ， ，

放射線の単位

光の場合に置き換えて考えると分かりやすい

電球 蛍光灯 光源の明るさ 光束：ルーメン（lm） 放射線源の強さ 放射能 放射能 放射能 放射能：ベクレル（ベクレル（ベクレル（ベクレル（Bq）））） 放射性 物質 １ベクレル １ベクレル１ベクレル １ベクレル || 1崩壊／秒崩壊／秒崩壊／秒崩壊／秒 例：40Wの蛍光灯 約 3500 lm

⑲

手元の明るさ 照度：ルクス（Lux） 手元の放射線量 吸収線量 吸収線量吸収線量 吸収線量，等価線量等価線量等価線量等価線量 読書： 500～1000 Lux 光度が大きくても遠ければ照度は小さい 放射能放射能放射能放射能が大きくても遠ければ線量線量線量線量は小さい 注）放射性同位体の種類 の違いで線量は変わる

吸収線量と等価線量

（手元の明るさに対応する単位）

⑳

吸収

吸収

吸収

吸収線量

線量

線量

線量

：

1 kg

あたりに吸収される放射線のエネルギー量

単位：

Gy

（グレイ）

1 Gy = 1 J/kg

（放射線は吸収されると、熱等のエネルギーに変わる）

等価

等価

等価

等価線量

線量

線量

線量

： 吸収線量に

放射

放射

放射

放射線荷重

線荷重

線荷重係数

線荷重

係数

係数

係数

を乗じたもの

Ｘ線，ガンマ線，ベータ線は Ｘ線，ガンマ線，ベータ線は Ｘ線，ガンマ線，ベータ線は Ｘ線，ガンマ線，ベータ線は

1

αααα

線は線は線は線は

20

生体への照射効果を示す因子 生体への照射効果を示す因子 生体への照射効果を示す因子 生体への照射効果を示す因子 1 Gy 1 Sv 1 Gy 20 Sv 教科書 p162

等価

等価

等価

等価線量

線量

線量

線量

： 吸収線量に

放射

放射

放射

放射線荷重

線荷重

線荷重係数

線荷重

係数

係数

係数

を乗じたもの

単位：

Sv

（シーベルト）

実効線量

＝

Σ

（その臓器の等価線量 × その臓器の組織荷重係数）

実効線量

（等価線量に更に各組織・臓器の放射線の影響を受けやすさを考慮したもの）

㉑

宇宙線

㉒

PET/CT 検査 10 mSv 上空は地上より遥かに宇宙線が多い 40

_K

等

自然放射線 1.4 mSv （日本） 2.4 mSv（世界） （年間）

レントゲン夫人の手の

X

線写真（ポジ）

（最も有名なＸ線写真？）

㉔

骨や指輪は平均的な

原子番号

が大きいのでＸ線が吸収され

X

線検出器に影が映る

影はネガでは白く、

Ｘ線光子の吸収：光電効果 原子番号の４～５乗に比例 Ｘ線光子の散乱：コンプトン散乱 原子番号にほぼ比例 電子との散乱なので電子数に比例

ポジでは黒く写る。（右はポジ）

電離と励起

電磁波（

X

線，

γ

線）の場合

Ｘ線・γ 線は電荷を持たないので、飛跡に 沿って電離・励起は起こらない 電子との散乱 （コンプトン散乱）

⑧

光電効果 原子全体と相互作用 Ｘ線・γ線は消滅 光電子 光電子の飛跡に 沿って電離・励起が起こる。

X

線撮像のしくみ

Ｘ線発生装置 被検体 Ｘ線検出器 Ｘ線フィルム フラットパネル 骨

影絵と同じ

㉕

フラットパネル 骨はＸ線を通しにくい ↓ 骨の影ができる Ｘ線光子 カルシウム Z = 20 筋肉・脂肪 O, C, H 肺等の隙間 たくさん透過する Ｘ線光子の吸収：光電効果 原子番号の４～５乗に比例 Ｘ線光子の散乱：コンプトン散乱（電子との散乱） 原子番号にほぼ比例（電子の数に比例） Z = 8, 6, 1

胸部レントゲン写真（ネガ）

ネガなので骨の影は白く映っている

肺は、風船みたいに スカスカで密度が 低いのでＸ線を よく通すため 黒く写っている 巨大な腫瘍の影が 見えるおそらく肺癌 スカスカの肺に対し

㉖

黒く写っている 原子番号も重要だが そもそも物質が なければ、Ｘ線は 減衰しない スカスカの肺に対し 癌は密度が高く、 Ｘ線を透過しにくい ので白く写る。

試験範囲はスライド㉖まで

以後は時間があったら

㉗

役に立つ内容ですので真面目に

とやまＰＥＴ画像診断センター

（平成

19

年

11

月

20

日オープン）

←PET/CT→

（

PET

と

CT

の複合機）

ＰＥＴ

ＰＥＴ

ＰＥＴ

ＰＥＴ

Positron Emission Tomography

① 陽電子を放出する（β ＋ 崩壊する）アイソトープで標識したブドウ糖を注射する。 （陽電子） （放出） （断層撮影）

（半減期

110

分）

18

_{F →}

18

_{O + e}

＋

+

ν

_e 18 F-フルオロデオキシグルコース

㉘

検査後すみやかに無くなる。

被ばくが少ない。

フッ素の安定同位体 19_{F (100%)}

β

＋

崩壊

F

18 9

O

18 8

例：

陽電子（β ＋ 線） 最大634 keV PET で利用 18

_{F →}

18

_{O + e}

+

₊

ν

e 式で書くと 原子番号は １減る 質量数は 変わらない。 電子ニュートリノ （陽電子崩壊）

⑯

エネルギーの単位 キロ・電子ボルト

F

9 8 物質の階層を下げて考えると

陽子

→

中性子

+ e

+

+

ν

_e 質量数は 変わらない。

陽電子

（

β

+

線）

電子ニュートリノ

陽子

中性子

18

_F

（半減期

110

分）の生成

O + p

F + n

サイクロトロン（加速器の一種）で陽子を加速し、

18

O

に照射する

陽子の数も中性子の数も変化していない。 組み換えが起こっているだけ 酸素の同位体 （存在比0.2%） とやまＰＥＴセンターのサイクロトロン 住友重機械製サイクロトロン 18 8 18 9

㉙

とやまＰＥＴセンターのサイクロトロン 半減期が短いので、貯蔵できない。 ＦＤＧは、当日にセンター内で作る。

② がん細胞は活発に活動しており、ブドウ糖を多く消費するので、

FDG

（

18

F

）はがん細胞に集まる。

③ がん細胞で

18

F

が崩壊し陽電子を放出する。

陽電子は

1 mm

以下の距離を移動して止まる。

④ 陽電子は電子と対消滅し、

γ

線（

511 keV

）を２個

反対方向に放出する。（運動量を保存するために）２体崩壊

⑤ 同時に

511 keV

の

γ

線を検出した事象を選ぶ。

自然放射線や宇宙線のバックグラウンドは、

18_{F →} 18_{O + e}＋ + ν e ↑ 最大 634 keV

㉚

エネルギーの単位 キロ・電子ボルト

自然放射線や宇宙線のバックグラウンドは、

エネルギーも異なるし、同時に起こることはほとんどない。

⑥ 図で線が多く交わる部分が、がんの可能性が高い。

e

＋

＋

e

－

2

γ

( 511 keV )

電子（陽電子も）の静止エネルギー

mc

2

_{= 511 keV}

上の反応でもエネルギー保存則

運動量保存則は成り立っている

γ

線

γ

線

2体崩壊 １ eV（電子ボルト）= 1.602×10 －19 J E = mc2

消滅ガンマ線（

511 keV

）

511 keV 消滅ガンマ線の信号 この幅は測定誤差

㉛

ポジトロニウム 電子と陽電子の 原子 γ 線光子の 511 keV 511 keV γ線 γ線

前置増幅器 検出器番号 タイミング

検出器リング

前置増幅器 検出器番号 タイミング

γ線

1.46 MeV

40

_K

（ノイズ）

宇宙線 （ノイズ）

被検体

γ線 γ線

㉜

同時係数回路

コンピュータ

東京都老人総合研究所ＨＰより転載

脳の腫瘍は PETでは 発見しにくい 脳もたくさん ブドウ糖を消費する 2%の重量で 20%を消費する

PET

画像

ＦＤＧが集積している （前のスライドで線が 多く交わっている） 部分が赤で表示され、 集積がみられない部分 が青く表示されている

㉝

すい臓がん

PETCT

PET

画像と

CT

画像を重ねて表示すると、腫瘍の位置がよくわかる

＋

＋

＋

＋

_＝

_＝

_＝

_＝

㉞

＋

＋

＋

＋

_＝

_＝

_＝

_＝

ＦＤＧは尿中にも排出されてしまうため 膀胱にも集積が見られる。 CT画像 PET画像 PETCT

（重）粒子線治療装置

垂

直

ビ

ー

ム

加速器

㉝

（財）医用原子力技術研究振興財団ＨＰより

加速器

直線加速器

イオン源

水平ビーム

治療の様子

㉞

各種放射線の生体内における線量分布

Ｘ線、ガンマ線 体表面付近の線量が最大 ↓ エネルギーを失って 粒子の速度が落ち 止まる直前（腫瘍）の 線量が最大 台風もサッと 通り過ぎると 被害は小さい ゆっくり とおりすぎると 被害が大きい

㉟

（財）医用原子力技術研究振興財団ＨＰより ↓ 正常組織へのダメージ大

X線 重粒子線 重 肺がん 肺がん ボーラス

がん治療

（粒子線

VS X

線）

㊱

X 線 重 粒 子 線 ボーラス 脊髄 脊髄 線量は体表面では弱く がん病巣で急激に強くなり 病巣の終端で止まる 線量は体表面近くが最大で 次第に弱まり、病巣の終端でも 止まらず突き抜けていく （正常組織へのダメージは小さい） （正常組織へのダメージが大きい） （財）医用原子力技術研究振興財団ＨＰより