放射線遮蔽剤について

質問

高校2年です
前に大学のオープンキャンパスいったときに、たんぱく質の構造解析をする機械を実際に動かしてるとこをみせてもらったのですが、X線の干渉やなんたらで解析しているみたいなんです。
たんぱく質についてはいいんですが、そのX線を出す機械がX線をだしているところをガラス越しにみてたんです（X線は見えませんでしたが（^^;))。被爆したらどうするんだとおもって、たずねてみると鉛が含まれたガラスだから大丈夫といわれて、詳しく聞くと高密度だからだそうです。それ以上はわからないといわれました。

放射線がたかが高密度ってだけで遮断されるってのが納得できないんです。
放射線は原子よりも細かい粒子が飛んでいるものらしい。それだったらどんなに高密度でもスカスカの原子なんて絶対通りぬけると思うんです。
それとガラスが光を通すのと放射線が通るのとでは話がちがうのでしょうか？
放射線てのは振動数が光よりもとてつもなく多きいものでエネルギーが高いから危ないと習いました。
放射線が光の一部だったら光だけ通して放射線を通さないというのは不思議で不思議でたまりません。
教えてください。。

回答No.4

noname#24872 · ベストアンサー

kussetsuさんはまだ高２とのことですが、着想が鋭いのにびっくりしました。

>ガラスが光を通すのと放射線が通るのとでは話がちがうのでしょうか？

確かに、両者は意味が違います。

Ｘ線が物質を通過するとき、電子を跳ね飛ばすことによってエネルギーを失い減衰します（これをコンプトン散乱と言います）。ガラスを構成する酸素原子やケイ素原子より、鉛原子の方が電子密度がはるかに高いので、Ｘ線が電子を跳ね飛ばしやすい＝エネルギーを失いやすいのです。そのため、Ｘ線はガラスを突き抜けますが、鉛ガラスは通過できません。

一方、ガラスにぶつかった可視光線には、電子を跳ね飛ばすエネルギーはありません。原子核に対する電子の位置をずらすのが精一杯です。原子核と電子を繋いでいる電磁気力はバネのようなものなので、電子は元の位置に戻ろうとします。これを「電子振動」といいます。この電子振動のエネルギーは、ちょうど水面を波が伝わるように次々に隣の原子に伝えられ、反対側の表面に達したところで再び光子に変換されて放出されます。

日常生活で似た例を探してみましょう。今仮に、事故防止用の鉄板フェンスで囲まれた工事現場を想定してみす。高エネルギーのＸ線をピストルの弾丸、可視光線を空気分子とします（ちょっと極端ですが）。

ピストルの弾を鉄板フェンスに至近距離で打ち込めばさすがに貫通するでしょうが、弾の威力はかなり弱くなるでしょうね。当然空気の分子などいくら鉄板にぶつかったところで、通過するわけはありません。

しかしフェンスの向こうからは、やかましい工事音が聞こえてきます。これはもちろん、音のエネルギーが一旦鉄原子の運動エネルギーに変換され、再び音に変換されているからです。音が通過するかどうかは「鉄板の硬さ」とは直接関係ありませんね。

鉛ガラスがＸ線を通さないのに光を通すのは、全く同じ理由なのです。

補足

みなさんありがとうございます。
可視光線とX線の波長とエネルギーはちがって、その違いが鉛の含まれたガラスをより少なく貫通するかしないかの問題で、実際僕の見せて貰ったあの機械をガラス越しに見たときは、人体に影響がない程度まで下げられたX線をあびていたわけですね。
なるほど、人間が編み出したちょうどいい、すばらしいガラスがあそこにはあったわけか。
で回答をよんでてさらなる疑問がわいてきてしまったのですが、
＜原子核と電子を繋いでいる電磁気力はバネのようなものなので、電子は元の位置に戻ろうとします。これを「電子振動」といいます。この電子振動のエネルギーは、ちょうど水面を波が伝わるように次々に隣の原子に伝えられ、反対側の表面に達したところで再び光子に変換されて放出されます。

この文を見た瞬間　え!??と思ってしまって・・
風景として見える風景は太陽光線などの光が、そのみている風景に当たって、そのときの反射光が直接みえているわけですよね?
それがガラス越しになると、今自分がいる反対側のガラスの表面に当たった光が、電子の位置をずらす。そのずれが波となり、今自分がいる側のガラスの表面まで達して、そこで光にかわってみえている、と解釈したんですが、それではガラス越しにみる風景はテレビのスクリーン上に見る映像とさほどかわならいものってことですか?
そこでもう一つが、電子にあたって電子振動をさせたその光子は一体どこに?・・・

回答No.9

noname#24872

No.4です。

光が粒子性と波動性を持つように、原子も粒子性と波動性を持っています。原子を冷却してその熱運動を停止させると、隣り合う原子の波同士が重なり合って境界が不鮮明になり、一個の連続体として挙動するようになる、というのがボーズ・アイシュタイン凝縮という現象です。

ボーズ・アインシュタイン凝縮を起こした物体中を光が通過する場合には、連続した物体の振動波として伝わるため、伝播速度は極めて遅くなります。そこで透明なボーズ・アインシュタイン凝縮体の中を光が通過している最中に、そのボーズ・アインシュタイン凝縮体を不透明に変えたら、通過中の光はどうなるのか？というのが「光を止める」原理なのですが。

ここのスペースで説明するのは、かなり難しいです。

お礼

なるほど、ボーズ・アイシュタイン凝縮を作る技術ができた上でそれを使って光を止めるということか～。
透明なボーズ・アインシュタイン凝縮を光の経過中に不透明にかえるなんてことが・・・温度を下げると不透明になる物質を使って作れば・・なんて考えてみましたが、まだまだ知識不足のようです(^^;)
他のペースなら!?!？って、これ以上聞くのは、あまりにも図々しいのでやめておきます(^^;
また機会があればよろしくおねがいしますm(__)m
本当にありがとうございました!！

回答No.8

noname#24872

No.4です。

>金属特有の自由電子が関与しているのではないでしょか?

はい。金属に当たった光は、金属表面の電子だけは動かすことができます。しかし、この電子は自由電子で特定の原子核に束縛されていないため、電子の振動は金属表面のみに限局され内部に伝わることができません。（これも電子振動の一種には違いないのですが、特に「プラズマ振動」といいます。）結局金属表面の電子は光の来た方向にエネルギーを返さざるを得ない、つまり光を反射することになります。

>一方ガラスに混ぜた鉛は自由電子が自由に動けなくなって可視光線を跳ね返すことはないということでしょうか。

大正解です。実は鉛ガラスに含まれている鉛は酸化鉛（ＰｂＯ）なのです。その電子は個々の原子核と強く結びついていますから、光の透過の妨げとはなりません。むしろ鉛を入れた方がガラスの透明度が上がるのですから面白いですね。

補足

つまり、物体の表面に当たった光がなんらかの方法で当たった表面とは反対側に辿り着くことができればその物体は透明に見えるということですね。ってことは体の表面にそのような細工ができれば透明人間も不可能ではないということに?・・（笑）
それはともあれさらに気になったことが・・別の質問にあげたほうがいいのでしょうか?
ボーズアイシュタイン凝縮（BEC）というのをNHKの番組でみたことがあります。あれは光を物体の中で止めるという技術を使って作り出されたものなのでしょうか?
僕がみたのにはレーザー冷却という方法で止めた分子の集まりが分子の熱運動を同時に同じように起こすために分子の熱運動が大きくなって肉眼で見えるという話を聞いたのです。BECを二つ合わせると、水面で二箇所で波を起こすと干渉が起きるように干渉が起こるとか。
それとはなにか関係があるのでしょうか?

回答No.7

noname#24872

No.4です。

ここまで理解したのですから、最後に一つ考えてみてください。

鉛は、ガラスに混ぜても金属箔でもＸ線を遮断します。しかしガラスに混ぜた鉛は可視光線を通しますが、金属箔の鉛は可視光線を通しません。なぜでしょう？

光の伝播について、より理解が深まると思います。

補足

金属箔というのは鉛の薄くしたものですよね?
それならもしかしたら金属特有の自由電子が関与しているのではないでしょか?自由電子によって可視光線が跳ね返されるという現象が金属光沢を出していると聞いたことがあります。一方ガラスに混ぜた鉛は自由電子が自由に動けなくなって可視光線を跳ね返すことはないということでしょうか。

回答No.6

noname#24872

No.4です。

>それではガラス越しにみる風景はテレビのスクリーン上に見る映像とさほどかわならいものってことですか?

すいません。仰りたいのは「光学迷彩」のことだったんですね。はい、その通りです。

お礼

光子が電子にあたり電子振動を起こし、波として伝わりそれが再び光子として空気中を飛び、目に入るという仕組みが、ガラス越しに見る風景を偽者のように感ぜられました(^^;）

回答No.5

noname#24872

No.4です。

>それではガラス越しにみる風景はテレビのスクリーン上に見る映像とさほどかわならいものってことですか?

？？？テレビの場合は、映像を三原色の点に分解しているほか、静止画像を一秒間に３０コマほどの速さで写して残像を生じさせているだけですから、実物の映像ではありません。ガラス越しにみる風景は、ガラスの反対側に当たっている光と「全く同じものです」。

仮に一つ一つの光子を区別できるなら、入ってくる光子と出て行く光子が別物であることが分かるのですが、実際には区別できませんからね。回答に書いた工事現場の例えでも、フェンスの内側で聞こえる音と外側で聞こえる音は「同じ音」です。

物質中を光が電子振動として伝わる証拠はいくつもあります。例えばガラスの中を通過する光は屈折しますが、これはガラス中の光の速度が空気中より遅いからです。相対性理論では光の速度は毎秒３０万Ｋｍで不変のはずなのになぜ？と疑問に思ったたことはありませんか？答えは「光として伝わっていないから」です。ですから、光が物質中を伝わっている時だけは、短い時間ですが「光を止めておく」ことだってできるんですよ（言うまでもありませんが、真空中を電磁波として伝わっているときには絶対に不可能です）。

http://www.nikkei-bookdirect.com/science/page/magazine/0110/light.html

>そこでもう一つが、電子にあたって電子振動をさせたその光子は一体どこに?・・・

光は純粋なエネルギーの塊りですから、エネルギーをすべて電子に渡してしまえば「消えます」。というより、電磁場の振動エネルギー（光＝電磁波）が電子の振動エネルギーに変換された、というのが正しい表現ですが。

お礼

光子ってのは重さも体積もないエネルギーの塊なんですね。それが電子に当たって電子振動を起こし、それで再び光子になって見えるという神業がガラスの中で行われていたわけか・・・すごすぎる。
なぜ媒質が異なる中での光の速さが異なるのかってのを本当に疑問に思っていました。雑誌のニュートンやその他諸々で読んだ相対性理論の僕の理解と完全に矛盾してましたから（笑）そういうことだったんですね!載せていただいたHPを見てものすごく感動しました。まさか光を止めることに成功していたなんて。もちろんとまった光は見えないでしょうが、時速６０Kmぐらいのなら、見えそうですね。光源から発した光が随分送れて目に届く瞬間を経験できそうでなんかワクワクします（笑）
いろいろ教えていただき本当にありがとうございます。

回答No.3

sanori

鉛ガラスが、１００％鉛材の厚さ何ｍｍに相当するか、という数値を「鉛当量」と言います。
現在製造販売されている鉛ガラスは、厚さ１０ｍｍのとき、おおむね２～３ｍｍの鉛当量のようです。
ですから、可視光を通して人間の眼にはスカスカに見える鉛ガラスなんですが、実は鉛が２０～３０％も入っているようなイメージになります。

さて、上記の「鉛当量２～３ｍｍ」の鉛ガラスを通ると、Ｘ線がどれだけ減衰するかですが、下記リンク
http://www.jsrt.or.jp/no188per-ver/no188per-ver-table.html
を見ますと、１０００分の１以下に減衰することがわかります。

もしも、さらに遮蔽の必要があれば、ガラス厚を大きくすればよいですが、減衰は厚さの指数関数になりますから、１０ｍｍ厚のガラスで１０００分の１に減衰するとして、２０ｍｍ厚では１００万分の１に減衰することになります。

なお、ご参考までに、
コンクリートも放射線の遮蔽によく用いられますが、コンクリートは、１００％鉛材に比べて、おおむね１００分の１の遮蔽能力しかありません。ですから、上記の１０ｍｍ厚（２～３ｍｍ鉛当量）の鉛ガラスは、２００～３００ｍｍ厚のコンクリートに相当することになります。

さて、
可視光をバンバン通すのに、Ｘ線が、これほど減衰するというのは、一見、不思議なことのように思えます。しかし、すでに他の回答者さんがおっしゃっているように、電磁波（赤外線～可視光～紫外線～Ｘ線～ガンマ線）は、波長が短いほど、物質中を通過するときに減衰しやすい性質があります。
わかりやすい例えですと、太陽光のうち、紫外線はほとんど地上に到達しませんが、可視光は大部分が地上に届きますし、可視光の中でも波長の短い青は上空で散乱されて空全体を青く見せています。さらには、夕方に太陽が地平線近くの角度になれば大気や塵によって赤より波長の短い可視光は散乱されて夕焼けが見えます。

回答No.2

act_chem

No.1の解答に補足させていただきます。
確かに物質は特定の波長を吸収するという意見は正しいかと思いますが、それだけの要素ではないと思います。
まず、この世に完全に光(可視光・紫外線・X線も含むすべての電磁波）を遮蔽するという物質はありません。
しかし、影響がないレベルまで遮蔽することは可能です。

例えば、海を考えてください。
コップなどに掬い取ると、太陽光を充分に透過しますね。
しかし、海底は真っ暗です。単に特定の波長を吸収するだけでは、説明がつきません。そこでもう１つ必要な要素として「厚み」があると思います。
これは、波長が短いほど（波長の大小関係：可視光＞紫外線＞X線）、厚みが薄くても遮蔽されるという特徴があります。まぁ上下に動く回数が多い分だけ、同じ幅を進むにも動く距離が増加していると考えていただければ結構です。ただし、波長が短いほどエネルギーは大きくなります。
つまり、エネルギーが大きいからといって透過する力が大きいのではないのです。

そこで、X線の遮蔽に戻って考えてみましょう。
鉛ガラスは完全に透明なガラスではありません。
もちろん厚みを大きくしていけば、そのうち可視光も遮蔽してしまい、真っ黒に見えてくるでしょう。
しかし、現在の厚みでは、完全に可視光を遮蔽することができないためガラスの向こう側が透けて見えるのです。
ではX線はどうでしょうか？
X線から見れば今のガラスの厚みが遮蔽するのに充分な厚さがあるということです。もちろん完全遮蔽ではなく極微量のX線は透過してきます。しかし、この量が、一般的に地球が持つ自然の放射線（１年で人間が浴びる自然放射線量が１ミリシーベルトといわれてます）のレベルまで遮蔽されていればOKということになります。
それでも、長時間測定室に入る可能性がある実験者は、被ばく線量を測定し、この値が大体５０ミリシーベルトを超えないように、調節を行います。

大体こんな感じでしょうか。

回答No.1

noname#160321

１.「高密度だから」
これはガラス、この場合は「鉛ガラス」でしょう、の中に含まれている鉛の量が多いからと言うことだと思います。
２．「放射線てのは振動数が光よりもとてつもなく多きいものでエネルギーが高いから危ないと習いました。
放射線が光の一部だったら光だけ通して放射線を通さないというのは不思議で不思議でたまりません。」
簡単に言うと、物質は特定のエネルギーの光しか吸収しない、吸収できない。そのエネルギーは「連続」でなく「離散的(とびとび)」である。ま、量子論で説明するのが正しいんですが。
簡単な例で言うと、オゾン層、地球に太陽の高エネルギーの放射線が降り注いでくるのに地上にはＸ線も遠紫外線(高エネルギーの紫外線)もほとんど届かないのは、大気層にある物質(オゾンなんかが代表例)が全部吸収してしまうからです。
ところがこれらの物質は目に見える方の光や赤外線はあまり吸収しないので地上はポカポカ良い気分。
これらは電磁波(Ｘ線、γ線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、ラジオ波、短波、長波、超長波、…)の例ですが、中性子なんども高速中性子と低速中性子でエネルギーが違いウラン238に吸収される効率がまるで違います。通常の原子炉で使う中性子は低速中性子、エネルギーを落として吸収をコントロールするために、水の中に浸して、さらに「制御棒」を入れたりします。
一方最近(いや何十年も前からうるさいが)高速増殖炉では高速中性子という高エネルギーな中性子を使います。そのため冷却剤がナトリウム金属になったり…、私は嫌い。

でも、不特定多数をＸ線を使っている部屋に入れるのは「無謀」。研究者は(学生さんも)フィルムバッチという放射線検出器具(ただの低感度フィルムだけど)を常時身につけています。
私は以前北欧の某国でその国でたった一つの原子炉(研究用)の炉心まで入れて貰って、と言うより気がついた時には炉心に入れられていた、中性子を使った研究などしているところを見せて貰いましたが、「あ、そこ通ると中性子で死ぬよー、鉛ブロックの後ろ通ってね」、鎖かテープか何か張れよ(怒)。制御室でお茶飲みながら無駄話するなよ。(激怒)