03J_sources.key

(1)

放射線計測学特論

Radiation Detection & Measurement

(2)

放射線の定義

電磁波または粒子線のうち，直接または間接に空気を電離

する能力を持つもので，

(1)

荷電粒子：アルファ線，重陽子線，陽子線その他の重荷電粒子お

よびベータ線

(2)

中性粒子：中性子線

(3)

電磁波：ガンマ線および特性エックス線（軌道電子捕獲に伴って

発生する特性エックス線に限る）

(4) 1

MeV以上のエネルギーを有する電子線およびエックス線

をいう

原子力基本法第３条第５号放射線障害の防止に関する法律（放射線障害防止法）第２条第１項核燃料物質，核原料物質，原子炉及び放射線の定義に関する政令第４条

運動エネルギーを持って空間を飛び交っている

素粒子またはその複合体

(3)

物質の構造

原子

原子核

電子・陽子・中性子

分子

ウイルス

(物質)

10

7 _m

10

9 _m

10

10 _m

10

15 _m

< 10

18 m

10

15 _m

X

線

°

線

(4)

核種

_...

陽子数

と

中性子数

で指定される原子

陽子数

_...

同じ

＋

中性子数

_...

違う

☞ 同位体

_(isotope)

電子の数が同じため化学的性質はほぼ同じ（物質の

化学的性質は，最外周の電子で決まる）

陽子数

_...

違う

＋

中性子数

_...

同じ

☞ 同中性子体

_(isotone)

陽子数

_...

違う

＋

中性子数

_...

違う

＋質量数

_...

同じ

☞ 同重体

_(isobar)

ベータ壊変の場合は同重体への壊変となる

(5)

同位体の例

水素の安定同位体と放射性同位体

陽子

1

1 中性子

0

1

2 質量比

1

2

3 存在比

99.985%

0.015%

~0%

呼称

水素

重水素

トリチウム

(6)

質量の表現

相対性理論よりエネルギーと質量は等価

質量をエネルギーで表す

電子の場合：

E = mc

2

m

_e

= 9.110

10

31

kg

E

_e

= m

_e

c

2

= 8.2

10

14

J

(7)

電子ボルトとは

1V

電子

1eV

1,000,000,000回

1GeV

陽子の質量分を作り出そうとすると

高電圧が必要！

電極

1 eV = e 1 V = 1.6 10

19

_J

1.6 10 19 _C

(8)

質量の表現

1 eV = 1.6

10

19

_J

m

_e

= 511 keV/c

2

m

_p

= 1.673

10

27

kg = 938.3 MeV/c

2

m

_n

= 1.675

10

27

kg = 939.6 MeV/c

2

m = 6.664

10

27

kg = 3733 MeV/c

2

陽子：

中性子：

®

粒子：

☟

... 電子ボルト

相対性理論よりエネルギーと質量は等価

質量をエネルギーで表す

電子の場合：

E = mc

2

m

_e

= 9.110

10

31

kg

E

_e

= m

_e

c

2

= 8.2

10

14

J

(9)

原子量による表現

原子量

_{... 原子質量単位に対する比}

静止して基底状態にある自由な

12

_C

原子の質量の1/12

原子量 (u) 原子量 (u) 1_n _1.009 14_N _14.003 1_H _1.008 15_N ₁₅ 2_H _2.014 16_O _15.995 3_H _3.016 20_Ne _19.992 3_He _3.016 23_Na _22.99 4_He _4.003 28_Si _22.99 13_C _13.003 40_Ar _39.962 14_C _14.003 40_K _39.964

m

_n

> m

_p

_{☞ 陽子の方が安定}

Nuclear Physics A729 (2003) 337~676

(10)

放射性元素の崩壊

データを集め易い（扱いが容易）

低エネルギー（数MeV程度）

宇宙線

超高エネルギー（数GeVからまれに

21乗）

いつ来るかわからない

加速器

放射性元素と宇宙線の良いとこ取り

エネルギーには限界がある（数10

TeV?）

電離放射線の源

(11)

Si 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 A l 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 M g 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 N a 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 37 N e 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 34 F 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31

O 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 naturally stable atom N 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 C 8 9 10 _{12 13} 14 15 16 17 18 19 20 22 B 7 8 _{10 11} _{12 13 14 15} 17 19 B e 5 6 7 9 10 11 12 14 L i 4 5 6 7 8 9 11 H e 3 4 6 8 H _{1 2} _{3 4 5} ₇ 1

魔法数

_{... 原子核が安定となる陽子と中性子の数}

中性子の数

陽子の数

中性子過多

陽子過多

n

p +

+ ¯⇥

_e

p

n +

+

+ ⇥

_e

質量数分布

炭素の同位体同重体

(12)

Nuclear Landscape

> 10 s

Pb

(13)

(14)

結合エネルギー

12

_Cの場合

12

_{Cの原子量 … 12u}

陽子の質量

_{… 1.0073u}

中性子の質量

_{… 1.0087u}

電子の質量

_{… 5.486}

×10

-4

_u

陽子，中性子，電子が独立して存在している場合

質量の差分

_{… 結合エネルギー}

M

= 6

×1.0073 + 6×1.0087 + 6×5.486×10

-4

= 12.099

¢M

= 12.099

- 12 = 0.099 [u] = 92MeV

= 7.67MeV/u

(15)

元素周期表と放射性壊変

安定核が存在する超長寿命不安定核が存在する健康に影響が出ない程度取り扱いに注意が必要放射性元素超短寿命核 1 H He2 3 Li Be4 B5 C6 N7 O8 F9 Ne10 11 Na Mg12 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl Ar18 19 K Ca20 21 Se 22 Ti 23 V Cr24 Mn25 Fe26 Co27 28 Ni Cu29 Zn30 Ga31 Ge32 As33 34 Se Br35 Kr36 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr Nb41 Mo42 Tc43 Ru44 Rh45 Pd46 Ag47 Cd48 49 In Sn50 Sb51 Te52 53 I Xe54 55 Cs Ba56 La57 72 Hf Ta73 74 W Re75 Os76 77 Ir 78 Pt Au79 Hg80 81 Tl Pb82 83 Bi Po84 At85 Rn86 87 Fr Ra88 Ac89 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Cn 113 Nh 114 Fl 115 Mc 116 Lv 117 Ts 118 Og 58 Ce Pr59 Nd60 Pm61 Sm62 Eu63 Gd64 Tb65 Dy66 Ho67 Er68 Tm69 Yb70 Lu71 90 Th Pa91 92 U Np93 Pu94 Am95 Cm96 Bk97 98 Cf Es99 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr

(16)

電磁波または粒子線のうち，直接または間接に空気を電離

する能力を持つもので，

(1)

荷電粒子：アルファ線，重陽子線，陽子線その他の重荷電粒子お

よびベータ線

(2)

中性粒子：中性子線

(3)

電磁波：ガンマ線および特性エックス線（軌道電子捕獲に伴って

発生する特性エックス線に限る）

(4)1MeV以上のエネルギーを有する電子線およびエックス線

をいう

放射線の定義

原子力基本法第３条第５号放射線障害の防止に関する法律（放射線障害防止法）第２条第１項核燃料物質，核原料物質，原子炉及び放射線の定義に関する政令第４条

運動エネルギーを持って空間を飛び交っている

素粒子またはその複合体

(17)

荷電粒子

アルファ線（®-ray）

ヘリウム原子核（陽子

×２＋中性子×２，電荷＋２）

重陽子線，陽子線

重陽子

_{... 重水素の原子核（陽子＋中性子，電荷＋１）}

陽子（電荷＋１）

その他の荷電重粒子線

¼

中間子

重イオンビーム（炭素イオン，鉛イオンなど）

ベータ線（¯-ray）

(18)

®

壊変（崩壊）

陽子数の大きい原子核は，クーロン斥力がますことによっ

て不安定になる。

Heの原子核（®

粒子）は結合エネルギーが他に比べて大

きな安定原子核である。

特別な例外を除き

原子番号は

_83以上

質量数がほぼ

_200以上

天然の

_®

壊変原子核はウラン，トリウムを親の原子核

とする

(19)

Nuclear Landscape

(20)

®

壊変（崩壊）

壊変モード

X(Z, A)

_{⇥ Y (Z}

2, A 4) + He(2,4) + Q

_a

Q

_a

= (M

_X

M

_Y

M )

_{⇥ 931.5 MeV}

（壊変エネルギー）

238

92 U

234

90 Th +

226

88 Ra

222

86 Rn +

(21)

®

壊変の例

238

94 Pu

234

92 U +

5.499MeV (72%)

5.456MeV (28%)

5.358MeV (0.09%)

「放射線計測ハンドブック」（日刊工業新聞社）エネルギー

(22)

自発的核分裂

®

壊変をする原子核よりもさらに大きな質量数を持つ原

子核による核分裂

246

_Cm,

248

_Cm,

252

_Cf,

254

_Cf,

254

_Esなど。

252

_{Cf（人工放射性同位体）の場合・・・}

半減期：

_2.645年

®

壊変（96.91%）＋自発核分裂（3.09%）

1gの

252

Cf ☞約

2.3 ×

10

12

Bq

の中性子源

１核分裂あたり平均

_{3.8個の中性子を出す}

用途

数MBq程度の中性子線源

非破壊検査での利用

(23)

Si 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 A l 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 M g 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 N a 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 37 N e 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 34 F 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 31

O 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 naturally stable atom N 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 C 8 9 10 _{12 13} 14 15 16 17 18 19 20 22 B 7 8 _{10 11} _{12 13 14 15} 17 19 B e 5 6 7 9 10 11 12 14 L i 4 5 6 7 8 9 11 H e 3 4 6 8 H _{1 2} _{3 4 5} ₇ 1