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Life + Chemistry

化学の講義録+大学を楽しく面白い学びの場に変える試みの記録 (北里大学・野島 高彦)

看護学科の化学講義(11)放射線と放射能

2011年度の前期は,14回目が7月最終週に,15回目が8月下旬に予定されていました.しかし震災に伴う電力不足のため,8月の講義は前倒しで6月あるいは7月に行うこととなりました.看護学部の化学講義は本日7月6日(水)4限に補講を行うことにして,前期15回の授業回数を確保しました.
今回の内容は前期試験範囲外とし,1回だけで完結するものにしました.指定教科書では7章と8章に書かれている内容になります.

配布資料

原子核の壊変と放射線

ウランやプルトニウムなど,質量数の大きな原子核は徐々に壊れて行き,質量数の小さな原子核に変わって行きます.これを原子核の壊変,または崩壊と呼びます.
原子核の崩壊に伴って,4Heの原子核が放出される場合があります.これをα線と呼びます.また,原子核から電子が放出される場合があります.これをβ線と呼びます.さらに,電磁波が放出される場合もあります.これをγ線と呼びます.
α線,β線,γ線などを放射線と呼びます.そして,放射線を放出する能力を放射能と呼びます.放射能をもつ物質を,放射性同位元素,放射性同位体,ラジオアイソトープ(RI)などと呼びます.

半減期

ある時点からラジオアイソトープが崩壊して,存在量が1/2になるまでに要する時間を半減期t1/2と呼びます.半減期1回で存在量は50 %に,半減期2回で25 %に,半減期3回で12.5 %に,という具合にラジオアイソトープは存在量を減らして行きます.半減期はそれぞれの物質に固有です.数秒以下のものもあれば,数十万年以上のものもあります.

人体への放射線の影響

放射線を人体が浴びることを被曝と呼びます.放射線による被曝には直接的作用と間接的作用があります.
直接的作用の代表的な例は,DNAの損傷です.遺伝情報を記録してあるDNA分子に放射線が当たると,DNA分子が切断されたり化学的な変化を受けたりして,正しい情報をコードできなくなります.これが生殖細胞のDNAだと,子孫に正しい遺伝情報を伝えられなくなります.体細胞であっても,DNA異常によって細胞が癌化し,これが増殖して身体が癌になる可能性が生じます.
間接的作用の代表例は,水分子の開裂です.H2O分子内の共有結合が高エネルギーによって破壊され,H・と・OHに分断されます.この・OHはヒドロキシラジカルと呼ばれ,他の分子を攻撃して損傷を与える能力を持ちます.例えばDNAを攻撃するとDNAが損傷を受けます.

被曝を防ぐ

被曝によって人体は損傷を受ける場合があるので,被曝を防ぐことが必要です.α線の場合には紙一枚で防ぐことができます.β線の場合にはアルミ板やアクリル板一枚で防ぐことができます.γ線の場合には5 cm厚の鉛板や,30 cm厚のコンクリートブロックが被曝を防ぐために用いられます.
放射線のエネルギーの強さには「逆二乗則」が成り立ちます.いま,ラジオアイソトープから1 mの距離にいたとすると,ここからさらに1 m離れて,2 mの距離まで離れたとすると,エネルギーの強さは1/22=1/4になります.さらに1 m離れて3 mの距離に来ると,エネルギーの強さは1/32=1/9になります.このように,距離を置くことが被曝による影響を防ぐには有効です.

放射線の量をはかる

放射線の量を測るモノサシが3種類あります.まず,ラジオアイソトープが崩壊する速度を考えます.ラジオアイソトープの種類を問わず1秒間に1個の原子核が壊れる速度を1ベクレル(Bq)と呼びます.
次に,放射線から受けるエネルギー,すなわち吸収線量を考える必要もあります.ラジオアイソトープの種類は関係なく,崩壊速度も関係なく,1 kgの質量をもつ物体が1 Jのエネルギーを受ける場合,吸収線量は1グレイ(Gy)と定義されます.
さらに,吸収線量に放射線の種類に応じて係数を掛けた線量当量を考える必要もあります.これの単位はシーベルト(Sv)です.
年間に200 mSvの放射線を浴びると,人体に悪影響が生じると考えられています.

天然放射線と人工放射線

宇宙線や土壌中のラジオアイソトープからの放射線があるため,人間は世界平均年間に2.4 mSvの放射線を浴びています.一方,CTスキャンを1回受けると6.9 mSvの放射線を浴びます.胸部X線や胃のレントゲン撮影でも放射線を浴びますが,その量は1回につき数mSv以下です.
放射線は浴びなくて済むのであれば浴びないにこしたことはありません.しかし,診療放射線にはメリットがあるので,そのバランスを考えることが重要です.

原子力発電

235Uの原子核に中性子を当てると,原子核は分裂します.この時に質量数の小さな原子核,中性子,さらにエネルギーが放出されます.ここで放出される中性子は次の原子核に衝突して分裂させます.この反応は連鎖反応です.原子核の分裂で生じるエネルギーの大半は熱エネルギーとして放出されます.連鎖反応を制御しながら熱エネルギーで水を沸騰させ,タービンを回転させて発電する方法が原子力発電です.原子力発電所が海や大きな川の近くに作られるのは冷却水が必要だからです.

原子爆弾

連鎖反応を制御することなく一度に核分裂を起こすと一瞬のうちに大きなエネルギーが発生します.これを利用したものが原子爆弾です.
最初に実用化された原子力エネルギーは原子力発電ではなく,原子爆弾でした.
1945年7月にアメリカは世界最初の原子爆弾の実験をニューメキシコ州で成功させています.その模様はカラーフィルム*1に記録されています.

この実験の翌月には広島と長崎に原子爆弾が落とされています.1952年,広島市に作られた原爆死没者慰霊碑には,「安らかに眠って下さい 過ちは繰返しませぬから」と記されています.

しかし,その2年後,ビキニ環礁で行われた水爆実験に日本の漁船が巻き込まれ,乗組員が被曝する事故が起きています.

威力の大きな核爆弾を開発する競争は1960年代まで続いていました.次の動画は1961年にソビエト連邦が行った,人類史上最大規模の核爆発実験です.

原子力利用の課題

核兵器の威力比べを続けることを人類は選びませんでした.現在も核弾頭を搭載したミサイルが直ちに発射できる状態になっていますが,被爆国は日本だけにとどまっています.
その日本では原子力の平和利用の一環として原子力発電が進められてきました.2019年度には発電量の4割を原子力でまかなう計画でした.

しかし,3月11日の震災で福島第一原子力発電所が事故を起こしました.停止中の原子力発電所もあります.この夏以降,電力不足が予想されています.原子力を続けるのか止めるのか,止めるとしたならばどのように電力をまかなうのか,事故を起こした発電所をどのように処理するのか,今後の方針が決まっていないのが2011年7月の日本です.
この問題に関して科学も技術も答えを教えてはくれません.なぜならば,どのように社会を運営し,未来の社会を建設して行くのかという問題に答えを出すのは,人間だからです.その答えに必要な技術と,自然界への理解を進めるのが,科学と技術の役割です.

コメントの紹介

●夢のエネルギー原子力! だけどそのリスクについて多くの日本人は世界で唯一の被爆国の国民であるにもかかわらずこれまで考えずにいた.今回の原発事故をうけ,今後のエネルギー政策について真剣に考えなければならない.それにはイメージ論で考え,拒絶反応をだしていては客観性,論理性を欠いてしまうから教育が必要だ.今日学んだことはこれからためになることだと思いました.ありがとうございました.●原子力のすごさとこわさを思い知りました.●爆弾をつくって人を殺すことが誇りなんてありえないです!ニュースで放射線の単位いろいろ言っててよくわからなかったけど,今日少しわかりました.●今回の内容は少し難しかったけど,今の日本に関係していたので,「なるほど」ということが多くて良かったです.これからの日本はどうなっていくんですかね・・・.●地震があってから放射能・放射線のことをよくテレビで見たが,いまいちよくわからなかったので,今日の授業で知ることができてよかった.●タイムリーなテーマだったので興味深かったです.放射能のしくみや福島原発の対処について分からないことばかりですが,日本国民として知識を入れなければなと思いました.●今日の授業ふかーーーい!!●ありがとうございました●核こわーい最後のソ連の実験・・・●原爆の成功は到底想像できないけれど,地球が動くほどなんでものすごいと思いました!!よくそんなこと考えるなと思いました.●ばくだんこわい●原発のしくみがわかって楽しかったです.今日来てよかったー!北里の放射線の人,こんなこと勉強してるなんてすごい!この後バイトがんばってきます.あと,髪の毛かっこよくなりましたね!!●原爆こわすぎ.●ちゃんと補講きました!!きちんと出席評価していただけると嬉しいです.軍拡競争は怖いと思った.そんなことしたら地球がくだけてしまうと思う.愚かだということに人間が気づいて本当に良かった.●今日の授業来て良かったです!!最後の話,深かったです.改めて核爆発の恐ろしさを実感しました.●福島原発のことがあり,とても興味深いものだった.ニュースはよく聞くけれど,今福島原発がどのような状況だかわかりません.また,各地の津波の被害の大きさが鮮明に残り,なぜ福島原発がこのようになってしまったか忘れてしまいました.●人間がどれだけ残酷なことを行ってきたのかと思うと,それで命を落とした人がいるというのはとても悔しいことです.また,核兵器,原爆の恐ろしさを感じました.早く世界平和が実現することを望みます.●あんま集中できなかったけど映像おもしろかった.●放射能と放射線について正しい知識を持とうと思った.●放射線は不思議●この講義だけのために来るのは本当は気が進まなかったけど今日の講義はすごくためになったし,興味深かったです.●今,原子力発電書所のことで放射能や放射線のことをよく耳にするけど,正しい知識をつけることができた気がしました! VTRすごかったです.●おもしろかったので補講出てよかったー!!●最近とゆうか震災以降よく聞くようになったBqやSvという単位について知れてよかったです.●原発が今どうなっているのかよくわからなかったので,知る事ができてよかったです.原爆はこわいです.●先生のdangerousの発音いいですね!「でいんじゃらす!!」って感じでした(笑〕●放射線は危ないということを聞いていて原子力はやめるべきではないかと思っていたが,やはり危険でも使いたいほど便利であるから,原子力発電をやめるかどうかは難しい問題だと思いました.●間違った情報に左右されないよう気をつけたいと思った.●地震以来,福島原発のニュースで放射能の危険性が大きく取り上げられていたけれど,あまりよく分からずにいたので今日正しい知識を少し得られてよかったです.●今,原発を全部止めたら,日本はやって行けないと思うので,動かせるものは動かしてほしいです.電力不足の夏は辛いです.昨日ふと疑問に思ったのですが,西日本と東日本でどうして周波数が違うのですか?同じだったら電気ももらうことができたのに・・・.●携帯電話などから出る電磁波はどれくらいの影響があるのか気になりました.●人類は愚かであった●爆弾の大きさを競うような危険なことやってすなーと主思いました.●ろしあぁ!?●つかれた●ウランが無くなってしまえば原子力発電はできなくなってしまうのですか?●改めて放射能,放射線について学び,今の福島の状況など把握できました.映像を見て人間が核実験技術を持ってしまったことに恐怖を覚えました.早くちゃんと扱えるようになるか,なくすかどちらにするかしてほしいです.できればなくした方が良いんでしょうね.●原発の映像恐ろしかったです.実際に日本で起こったことかと思うとこわいですね.

次回予告

金曜日は「状態変化」をやります.固体・液体・気体の変化に伴うエネルギーの出入りを考えます.クーラーや冷蔵庫のしくみがわかるようになります.

*1:カラーフィルムは高価だったうえに現像にもコストがかかっていました.それだけの予算的余裕がアメリカにはあったわけです.