【簡単】放射能とは|アルファ線ベータ線ガンマ線とは

放射能とは|アルファ線ベータ線ガンマ線とは 自然科学
【簡単】放射能とは|アルファ線ベータ線ガンマ線とは

「放射能って何? アルファ線、ベータ線、ガンマ線って何が違うの? なぜ放射能は有害なの? アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊について知りたい。 物理学って何だか難しそうだな…」

こういった疑問に物理学修士の筆者が答えます。

結論

放射能とは不安定な原子核が、自発的に安定した別の原子核に変わる性質のことです。詳細は本記事にて解説します。

本記事の参考文献

本記事の内容

放射能とは

放射能とは

放射能とは不安定な原子核が、自発的に安定した別の原子核に変わる性質のことです。例えばセシウムは自発的にバリウムに変化します。その変化の際に不安定なバリウムは放射を発っして安定的になろうとします。その放射が放射線なのです。
物理学者アーネスト・ラザフォードは、重い元素が自発的に放射を発していることに発見しました。またラザフォードは発見した2種類の放射線にアルファ線とベータ線と名付けました。ちなみにガンマ線は物理学者ポール・ヴィラ―ルによって発見されました。
アルファ線、ベータ線、ガンマ線の詳細は以下に解説します。

アルファ線とは

アルファ線とはアルファ粒子の放射で、アルファ粒子はヘリウムの原子核(2個の陽子と2個の中性子からできている粒子)なのです。

ベータ線とは

ベータ線とは電子の放射です。電子はこのことからベータ粒子と呼ばれたりします。

ガンマ線とは

ガンマ線とは高エネルギーの光子です。光子とは光の粒子であり、素粒子(それ以上分解できない物質)の仲間でもあります。

放射性崩壊とは

放射性崩壊とは放射線が発生する際に、原子核で起こっている現象です。アルファ崩壊とベータ崩壊では崩壊前後で元素の種類が変わり、放射を発します。しかしガンマ崩壊では元素は変わることなく、放射を発します。詳細は以下に述べます。

アルファ崩壊とは

アルファ線崩壊

アルファ崩壊とは83番目以降の重い元素だけで起こる放射性崩壊です。通常、重い元素は陽子や中性子を手放すにはエネルギーが必要になります。なので、エネルギーが足りない状態ではアルファ崩壊は起こりえないように思えます。しかし上写真のようにミクロな世界ではトンネル効果という、必要なエネルギーが無くてもエネルギーの壁を超えられるという現象が確率的に発生します。そのため、アルファ粒子は確率的にエネルギーの壁を超え、アルファ崩壊が起きるのです。アルファ崩壊にはウラン238の半減期45億年といった時間のかかるものから、ラドン222の半減期3.8日といった短いものまであります。

ベータ崩壊とは

ベータ崩壊

ベータ崩壊とは水素3といった軽い元素から超ウランという非常に重たい元素に「弱い力」が働いて起こる放射性崩壊です。素粒子レベルで見ると、上写真のように中性子(1個のアップクォークと2個のダウンクォーク)のダウンクオーク1個がアップクウォークに変化して、陽子(2個のアップクォークと1個のダウンクォーク)になります。その際、ウィークボゾン(弱い力を伝える素粒子)が電子と反電子ニュートリノに変化しているのです。
ベータ崩壊は原子核内の陽子と中性子がアンバランスになったときに必ず起こります。例えば陽子6個、中性子8個からできている炭素14は不安定なため、安定している陽子7個、中性子7個の元素(窒素14)に変わろうとします。この時、「弱い力」によって、炭素14の1個の電子と1個の反電子ニュートリノが放出されて、1個の中性子が1個の陽子に変わるという現象が引き起こされるのです。

ガンマ崩壊とは

ガンマ崩壊とは、原子核内のエネルギー状態が高いほうから低い方へ量子飛躍する際に起こる放射性崩壊です。原子核の周りを回る電子は、半径が大きい軌道か小さい軌道に遷移する際に、光を放出します。これを量子飛躍といいます。これと同じように、強い力によって起こされる量子飛躍がガンマ崩壊なのです。

なぜ放射能は有害なのか

なぜ放射線は有害なのか

ベータ線やガンマ線は、私たちのDNAの中で原子が結合しているエネルギーの10万倍のエネルギーの持っているのです。そして、これらの放射線がDNAを通過すると、DNAの原子同士の結合が断ち切られてしまうのです。
上写真のようにDNAは二重螺旋構造という、鎖のようにつながった複数の原子が2列で螺旋状に巻きついた構造をしています。さらにこの2列は同じ情報を持っていて、一方が切断されても、もう一方の情報で修復することができます。しかし、両方が切断されると修復できなくなり、間違った情報を持ったDNAが癌を患う危険性があるのです。

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