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グレイをシーベルトに変換するときの妥当性

2011/05/06 14:11

covanonkiの回答

covanonki
ベストアンサー率48% (219/448)

2011/05/06 19:49 回答No.2

原子が、「電子」と「原子核」からできていることはご理解いただけるでしょうか。で、そのうちの原子核は「陽子」と「中性子」から出来ています。このうち、「電子」は物理学上、これ以上細かく分けることができない、とされている単位、「素粒子」に該当します。ところが、「陽子」と「中性子」は「電子」と同じサイズの「素粒子」がそれぞれ３つずつ組み合わされた形で形成された「量子」です。（物理学の世界では、原子よりも小さな世界の粒子の事を、「粒子」ではなく、「量子」と呼びます。）一方、「電子」はマイナスの電荷を帯びており、一方「陽子」はプラスの電化を帯びています。お互いが「電磁力」という力で結び付けられており、ひとつの陽子に対して、ひとつの電子が結びついているのが通常の姿です。また、一方で陽子と中性子は、お互いに「パイオン」という素粒子を受け渡し会いながら、時に中性子が陽子に、時に陽子が中性子に変質しながら、お互いを「強い力」と呼ばれる物理学上最も強い力で結びつけています。ところが、水素やヘリウムのように、軽い物質であれば、この状態は比較的安定しているのですが、プルトニウムやウランのように、物質の質量が重くなると、この状態が安定していない物質が登場します。質量が重くなると、原子核の中の陽子と陽子の間の距離が遠くなるため、先ほどの「強い力」よりも「電磁力」の方が強く働こうとし、これを防ぐため、より多くの中性子を捕獲し、状態を安定させようとします。（プラスの電荷をもつ陽子同士ですから、本来はお互いに反発し合う力が強い物質同士です）この物質に、ある速度の中性子をぶつけてやると、中性子は陽子のもつ「強い力（核力）」によって引き寄せられ、中性子と陽子が勢い良くぶつかります。まるでビリヤードのブレイクショットで、ぶつけられた１番球よりも離れた、外側にある球の方が、勢い良く外に飛び出し、中心から遠ざかろうとするように、原子核はいともたやすく分裂してしまうのです。これは、「中性子」と「陽子」がほぼ同じ質量を保有しているからこそ可能な技です。大き過ぎれば分裂することなく、原子ごと飛び去るでしょうし、小さ過ぎれば分裂することなく吸収されてしまうでしょう。ベータ線やガンマ線のもつ「電離作用」とは、この中性子と陽子間での振る舞いによく似ています。原子核が分裂すると、元々重たい原子にとって多すぎる中性子は分裂した原子核にとっては不必要なものですから、中性子として外へ放出されます。中性子を構成する素粒子は、「弱い力」という、物理学上最も弱い相互作用で結びついていますから、単体では最も不安定です。１０分ほどで中性子は「電子」と「陽電子」という、お互いにマイナスの電荷を帯びた二つの素粒子に分裂し、消滅してしまいます。この崩壊を「ベータ崩壊」と呼び、つまるところ、β線の正体とは、「電子」と「陽電子」のことです。ベータ線が人体に与える影響は、このベータ粒子、つまり電子が、全く同じ質量をもった体内の電子に衝突し、陽子の数に対して電子の数が少ない原子＝フリーラジカルを生み出すことにあります。一方でガンマ線とは、原子崩壊が起こった際、軽くなった原子が保有する予熱が「ガンマ線」として放出された熱線のことですから、どちらかというと粒子よりも波に近い現象を示します。ちなみに、「量子」の世界では、同じ物質が波のような反応を示したり、粒子のような反応をしめしたりする、マクロの世界で生きる我々には理解しがたい、摩訶不思議な振る舞いをします。ガンマ線が人体に与える影響とは、ベータ線が人体に与える影響と全く同じで、つまり原子の保有する電子に対して、電子が保有する熱量と同程度のエネルギーをもつ熱線が電子に対して照射された際、ガンマ線は粒子と同じような振る舞いをし、原子核崩壊で中性子が陽子を弾き飛ばしたのと同じように、電子を軌道の外へ弾き飛ばし、同じように原子をフリーラジカル化するのです。ベータ線はマイナスの電荷を持っていますから、よっぽどピンポイントで電子にぶつからない限り、電子を原子核から引き離すことはできないでしょうが、その代わり角度さえ絶妙であれば、電子はお互いの反発力により、勢い良く外へ飛び出します。ですが、ガンマ線は電荷を有していませんから、これもやはりよほど同じ角度で、ピンポイントで電子にぶつからなければ陽子と電磁力で結びつき合う電子を陽子から引き離すことは難しいでしょう。電離作用の強い、弱いの差はそこにあるのではないか、と思います。一方、「α線」とは、陽子の持つ斥力（反発し合う力）により、単体で原子核分裂を起こした、陽子二つ、中性子二つで構成される、ヘリウムの原子核と同じ構成をした粒子です。こいつは、単体ではものすごく不安定なので、すぐに近くにある原子から、電子を二つ奪おうとします。ベータ線やガンマ線の起こす電離作用がどちらかというと偶然性に頼る部分が大きいのに比べると、α線の電離作用は厄介。プラスの電荷を帯びたアルファ粒子が、「電磁力」によって、強引に近くの原子から電子を奪ってしまい、電子を奪われた原子をフリーラジカル化してしまいます。ちなみに、フリーラジカル化された原子（もしくは分子）として有名なのは活性酸素。こいつも、電子が一つ不足していますから、近くの原子から電子を一つ奪おうとします。働きはアルファ粒子とそっくりですね。偶然性に頼る部分の大きいベータ線やガンマ線の係数が１で、電磁力で電子を奪うアルファ線の係数が２０とされているのは、つまりそういうことからではないか、と思います。ちなみに、ベータ線もアルファ線も、ともに電荷を帯びている以上、透過性は低いです。アルファ粒子はサイズそのものが大きいので、そもそも人体内部に入ることは不可能ですが、ベータ線も途中で邪魔されるので、体内に侵入することは難しいと思います。

質問者

お礼 2011/05/06 20:13

ありがとうございます。電離作用についてよく理解できました。ベータ線は電荷を持っているのでガンマ線より電離作用が強いということですが、係数が同じ1なのはやはりよく理解できません。アルファ線のもつ陽子の電離作用はマイナス電荷の電子より10倍という計算ですか・・物理が苦手だとここもどんな数字をひっぱったものなのかよくわかりません・・・体内に入ったセシウムがの出すベータ線はガンマ線よりどれほど害が強いのかということも疑問です