放射線

放射線

放射線とは

原子核が不安定な状態から安定な状態に変化することを放射性崩壊といいますが、その際放出される高エネルギーの粒子または電磁波のことを放射線といいます。これら以外にX線や中性子線なども放射線に含みます。さらに電波や可視光線を含む場合もあり、分類方法は様々です 環境省の「放射線の種類」の図がわかりやすいです。
https://www.env.go.jp/chemi/rhm/h30kisoshiryo/img/slide/h30kiso-01-03-02.png 。

放射能とは

物質が自然に放射線を出す性質（能力）を放射能といいます。一般には放射線のうち人体に有害なものを放射能と呼んだりしますがそれは物理学上の定義とはちょっと違います 2011年の福島第一原発事故関連の報道において放射能という言葉がほとんど使われなかったので、今の若い人たちはこの定義に違和感はないかもしれません。それ以前はネガティブな意味を込めて放射能という言葉を使っていました。 。

放射性同位体

同じ元素でも同位体によって放射能を持つものと持たないものがあり、持つものを放射性同位体（ラジオアイソトープまたは放射性同位元素）といいます。 持たないものを安定同位体といいます。

他に、放射性同位体に関連する言葉がいくつかあります。
同じ元素であってもその同位体の中には放射能を持つものと持たないものがあったりしますが、すべての同位体が放射能を持つ元素も存在し、それらを放射性元素といいます。しかしこの言葉はすべての同位体が放射能を持つわけでもないときにも使われ、ちょっとややこしいです。
他に、
核種に着目したときにそれが放射能を持てば放射性核種といい、
原子に着目したときにそれが放射能を持てば放射性原子といい、
物質に着目したときにそれが放射能を持てば放射性物質といいます（放射性原子を含んだ物質のことです）。

厳密性を無視したときにはしばしば、放射性同位体、放射性元素、放射性核種、放射性原子は同じ意味で用いられます。

α線、β線、γ線

放射性崩壊の際に放出される放射線には3種類あります。α線とβ線とγ線です アルファ、ベータ、ガンマです。ギリシャ文字の1番目、2番目、3番目です。小文字です。
名付けられた経緯はわからないのですが、おそらく、よくわからない放射線を性質別にα、β、γと適当に割り振ったのだと思います。
この3種以外にX線や中性子線といった放射線がありますが、これらは放射性崩壊によって発生するものではありません。
発見順については、先にX線で、次にα線、β線、γ線で、しばらくして中性子線です。 。これらは、粒子か電磁波か、電荷の正負、物質を通り抜ける透過力、に違いがあります。

α線

α線は高速の粒子の流れです。粒子はヘリウムの原子核です 原子ではなく原子核です。電子は除きます。 。この高速で動くヘリウムの原子核をα粒子といいます。

\(^{4}_{2}\rm{He}\)で表されるヘリウムの原子核は2個の陽子と2個の中性子から構成されているのでα粒子1個の電荷は \(+2e\) [C] となります。電荷があるので電場の影響を受けますし、動いているので磁場の影響を受けます。

放射線は物質中を通過する際、物質を構成する原子から電子をはじき出して陽イオンを作ります 。このことを電離作用といいますが、α線は比較的粒が大きく 大きいといってももちろん目にはまったく見えないほど小さいです 他の原子の電子によく当たり、この電離作用の力が強いです。

また、粒が大きいがゆえに物質を通り抜ける透過力は弱いです。

β線

β線は高速の粒子の流れです。粒子は電子です。高速の電子の流れがβ線です この電子をβ粒子といいます。しかし高校物理ではあまりβ粒子という言葉は使いません。「高速の電子」というのが一般的です。
また、陰極線も電子の流れですがβ線の方が速度が速いです。 。

電子なので電荷は \(-e\) [C] です。

電離作用、透過力はα線、γ線の中間です。

γ線

γ線は電磁波です。粒子ではありません。X線よりさらに波長の短い電磁波です 10-11m くらいです。はっきりした定義はありません。 。

粒子ではないので電荷をもちません。

そして粒子ではないので、電離作用は弱く、透過力は強いです。

α線、β線、γ線に電場をかけると

鉛の容器に放射性物質を入れて上部に穴を開け、放射線を出し、

電場をかけると、
α線は電荷が正なので負極の方に曲がり、
β線は電荷が負なので正極の方に曲がり、
γ線は電荷がないので電場の影響を受けずにまっすぐ進みます。

これらの曲線の形は放物線となります。加わる力の方向は電場と並行です。水平投射のようなものです。

α線、β線、γ線に磁場をかけると

磁場をかけると、
α線はローレンツ力を受け曲がります。（左図においては正電荷の流れの向きが上向きで、磁場の向きが右向きで、フレミングの左手の法則を適用しますと、力は紙面奥向きです。その後、力の向きは刻々と変わります。）
β線は電荷が負なのでα線と逆方向に曲がり、
γ線は電荷がないので磁場の影響を受けずにまっすぐ進みます。

これらの曲線の形は円となります。α線、β線にかかる力の方向は刻々と変わります。（『磁場中の荷電粒子の運動』項参照）

α線、β線、γ線の透過力

それぞれの透過力はだいたい左図のとおりです。
α線は粒が大きいため紙で遮られてしまいます。
β線はアルミニウムなどの薄い金属板で遮られます。
もっとも透過力の強いγ線を遮るには鉛や鉄の厚い板が必要です。

X線はγ線と同じくらいの透過力です。
中性子線はかなり透過力が強く、水やコンクリートでないと遮ることができません。

α線、β線、γ線のまとめ

実体 電荷 電離作用 透過力 電場中の方向 磁場中の方向
α線 高速の\(^{4}_{2}\rm{He}\)原子核 \(+2e\) 大 小 負極へ 電流と同じ
β線 高速の電子 \(-e\) 中 中 正極へ 電流と逆
γ線 短波長の電磁波 0 小 大 直進 直進

覚え方として、

実体　電荷　電離作用　透過力　電場中の方向　磁場中の方
この3つをまとめてとらえて、
α線は粒が大きいから（電子をはじき飛ばす）電離作用が強い、後は逆相関になっている、と覚えてください。（でもこの覚え方は中性子線には適用できません。。。）

また、
実体　電荷　電離作用　透過力　電場中の方向　磁場中の方向
この3つをまとめてとらえて、
α線は電荷が正だから正電荷と同じ動きをする、β線はその逆、γ線は電荷がないから影響を受けない、と覚えてください。

放射能と放射線の単位

放射能の強さ

放射性物質の放射能の強さを表す単位はベクレル（記号Bq）です 1852年–1908年のフランスの物理学者、アントワーヌ・アンリ・ベクレルより。

放射能の強さは半減期と関係があります。 。1秒当たり何個の原子核が崩壊するかを表しています。

吸収線量

物質が放射線を受けた場合の単位質量当たりの放射線のエネルギー量を吸収線量といいます。単位はグレイ（記号Gy）です 1905年–1965年のイギリスの物理学者、ルイス・ハロルド・グレイより 。物質1kg当たり1Jのエネルギーを吸収した場合の吸収線量が 1Gy です。

等価線量

吸収線量を人体への健康被害を考慮して修正係数をかけたものが等価線量（線量当量）です。条件によって様々な定義があります。単位はシーベルト（記号Sv）です 1896年–1966年のスウェーデンの物理学者、ロルフ・マキシミリアン・シーベルトより 。 1Sv = 1000mSv（ミリシーベルト） = 1000000μSv（マイクロシーベルト）であり、被爆事故などがニュースで伝えられる際「ミリシーベルト」や「マイクロシーベルト」という言葉が使われますが、「ミリ」と「マイクロ」では危険性が全然違います。「ミリシーベルト」はかなりやばいです。