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)

医療工学科の化学講義(14)放射能と放射線

前期の講義最終回です.前期試験範囲もここまで.

前回の講義に対する質問コメント感想その他いろいろの紹介

前回の講義録参照.

原子壊変の反応速度論

ラジオアイソトープの存在量をCとし,kを定数とすると,ラジオアイソトープの崩壊速度は次のようにあらわされます.

dC/dt = -kC

t=t0においてC=C0の条件でこの微分方程式を解くと次のようになります.

C=C0e-kt

ここで,C=(1/2)C0 となる時間t1/2を半減期と呼びます.

半減期においては次の関係が成り立ちます.

C=C0(1/2)n

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.

この関係式はラジオアイソトープの崩壊に特有のものではありません.たとえば加水分解する試薬の水中濃度がこの関係式であらわされる場合があります.存在量の変化が,そのときの存在量に依存する,という関係は自然界のあちらこちらに見られるものです.

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.

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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.

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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.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.

●Sv/hってきいたんですが?

一時間あたりの放射線量ではSv/hを用います.トータルの量ではSvが用いられます.

●原子爆弾をつくることが正義だなんて日本人の私からしたら信じられない.化学ってこわいと思うし,私も将来,気を付けなければならないと思った.

これはマンハッタンプロジェクトに対してのコメントですね.何が正義で何が悪なのかは,自然科学からも技術からも答えが出ません.それを定めるのは人間だからです.そして善悪のモノサシは土地と時間によって正反対になるものです.

●原発は核を利用しているのになぜタービンなんですか?もっと有効な使い方はできないんですか?

残念ながら人類には核エネルギーを直接的に電力に変換する技術がありません.しかたなく熱エネルギーにして,その熱でタービンを回しているのです.

●昨日の物理学のテストにも半減期でてきました●将来おそらく一番要になるところだったなと思います.RTだけに.●半減期がややこしい感じがします.

●「ひばく」というのは二通り漢字があるらしいですけど,そこも説明してほしかったです.

爆弾(主に核兵器)の被害を受けることを「被爆」,放射線や化学物質を人体に受けることを「被曝」と言います.

前期試験まで一週間

試験日は7月27日(水)一限.試験対策用模擬問題配布済み,昨年前期の問題と解答も配布済み.合格ライン60点.このラインに達しなかった者への救済処置(再試験とかレポートとか)は無し.最終成績評価は前期+後期で120点.120点未満は再履修.

●授業の出席率は大丈夫ですが,テストの方が死亡フラグです・・・●テストがんばります.●テストでちゃんと計算ができるか心配です・・・・●来週のテストがんばります.●テストがんばります●テスト頑張ります.

健闘を祈ります.

戦意喪失の計算問題

本日の計算問題.

●わからーん●分かりません!テスト嫌だー.●戦意喪失しました.●ざせつです.●来週までにマスターしてやるー!と言ってみる.●むずかしい(泣)●どの式を使えばいいのかさっぱり・・・●ざせつ●授業遅刻して聞いてなくて分かりません(テストまでにはやります!)●病院見学行かなきゃなのでざせつします●むずかしいです●ざせつ●ざせつ●戦意喪失した●戦意喪失です.●時間的余裕がなかったので家でゆっくりといてみます.●戦意喪失しました.テストは戦意続けて頑張ります.●お手上げ●ざせつ●どの式を使えばいいのかわからなくなりました.●やり方は理解したと思っていたが,実際に計算するとできなくなってしまった.テストまでに完璧にしたい.●前半聞いてなかったのでわかんないです.●RTなのに解けないってか〜〜●できた気がする(^_^)/●難しい●ごめんなさい●ざせつ●最近計算に時間がかかってコメント書けなくてすいません●むりだ・・・

その他

●ガム×チョコ実験,アルフォートでは不発でした.チョコ味のミントガムになっちゃった・・・●化学とっても楽しかったです(^_^)//試験頑張ります!後期の講義と実験(いろいろ混ぜたい)楽しみにしてます.●さむいです●今日は台風でバスがおくれてしまって本当に残念でした.かなちゅうバスがにくいです.授業楽しかったです.前期おつかれさまでしたー.●先生のプレゼンは本当に楽しいです.最高!!●カンニングはしません.代返はしません.ちこくしてても出席します

●バルサンを使わずに家からGをなくすにはどうしたらいいのでしょう?●ゴキブリを殺す方法にどんな方法がありますか?

部屋を清潔にしておくこと.エサがなければ奴らは来ない.それでも来るんだったら,毒入りのエサを巣に持ち帰るタイプの殺虫剤が効くんじゃないかな.

次回予告

来週は前期試験.後期は9月7日開始.水溶液の化学に進みます.

リンク

www.tnojima.net
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*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.