比放射能
| 質量放射能 Specific Radioactivity | |
|---|---|
| 量記号 | |
| 次元 | M−1 T−1 |
| 種類 | スカラー |
| SI単位 | ベクレル毎キログラム (Bq/kg) |
| CGS単位 |
ベクレル毎グラム (Bq/g) キュリー毎グラム (Ci/g) |
比放射能（ひほうしゃのう、specific radioactivity[1]またはspecific activity[2]）または質量放射能（しつりょうほうしゃのう）とは、放射性同位体を含む物質の、単位質量あたりの放射能の強さのことである[3]。言い換えれば、単位時間・単位質量あたりに同一の放射性物質が壊変する回数であり、SI単位で表せばBq g−1となる[4]。ほかにもSI接頭辞を用いてkBqやμgなどの誘導単位として表記されることもある[5]。とくに同一の放射性物質を単位質量だけ集めた時の放射能の強さのことを言う[5][6]。放射性物質で汚染された空気・液体・土壌・食品等も同様の単位あるいは質量ではなく体積あたりの放射能の強さ[7]で表されるが、こちらは単に放射能濃度[7]あるいは単位質量あたりの放射能という[8]。
なぜこのような量を考えるのかといえば、原子数・質量・放射能はすべて一対一に対応してそれぞれに換算が可能となるからである。さらには全て一対一対応するため、半減期の計算で放射能の強さは、原子数や質量で置き換えても成立する。
つまり比放射能の概念を理解することによって、放射性物質のグラムからベクレルの換算などが可能となったり、原子数からベクレルの計算が可能となったりする。前者の場合漏れだした放射能を質量で表されてもベクレル総量に換算できるし、特に後者の場合は、系列をなす簡単な系を考え（たとえば飯舘村で話題になったネプツニウム239-プルトニウム239系）、最初の物質の半減期が極めて短く、ほぼすべてが壊変してしまったと考えれば、比放射能から原子数が等しいと近似して、前者の放射能がわかれば後者の放射能を近似計算できるといった方法も可能となるわけである。
Contents
物理量としての比放射能
次元は、M−1 T−1であり、単位は、Bq/kg、Bq/g、Ci/gなどである。比放射能が大きい放射性物質ほど、多くの放射線を出す能力があると言える。これは半減期の微分方程式より、ある時点での崩壊数N (t )が初期値N (0)や崩壊定数λに比例することより、明らかであろう。
放射性物質には、それぞれに固有の半減期があり、同じ質量（陽子と中性子の数の和が等しい）や同じ元素（陽子の数が等しい）の放射性同位体であっても、それが壊変によって放出される放射線の量が異なる。
半減期が小さいほど、多くの放射線を出すために、比放射能は半減期と反比例の関係にある。なぜならば、半減期の微分方程式より、微小時間dt 内の崩壊確率はλdt で表されるためである[9]。
この関係を別の方法で表現するならば、まず、半減期は
[math]T_{1/2}=\frac{\ln(2)}{\lambda}[/math]
で与えられたことに注意しよう。ここでλは崩壊定数である。ここでλがいろいろな値を取ると考えてみよう。ln(2)は定数であるから、λが大きくなれば、明らかに半減期は小さくなる。一方でλが小さくなれば、半減期は大きくなることが直ちに分かる。同様に崩壊定数を
[math]\lambda=\frac{\ln(2)}{T_{1/2}}[/math]
のように表せば、半減期が短いほど、崩壊定数が大きくなるという同様の関係が成立することがわかるだろう。
この事実はたとえばセシウム134の半減期を2年、セシウム137の半減期を30年とし、崩壊定数を計算してみると前者は
[math]\lambda_1 = \frac{0.693}{2} \approx 0.346 [/math]
であり、後者は
[math]\lambda_2 = \frac{0.693}{30} \approx 0.0231 [/math]
と明らかに
[math]\lambda_1 \gt \lambda_2[/math]
と半減期の短いセシウム134の崩壊定数のほうが大きくなっており、半減期長いセシウム137の崩壊定数のほうが小さい。これは半減期が短いほど崩壊定数は大きくなり、逆に半減期が長いほど、崩壊定数が小さくなるという事実を表している。
比放射能の計算式
原子数がNである放射性核種の放射能は、崩壊定数λを用いて次式で表される。
[math]-\frac{N}{dt}= \lambda N[/math]
比放射能Aは、単位質量あたりの放射能であり、放射能λNを核種の質量で除すことで求まる。
[math]A [Bq/g] = \frac{\lambda N}{N m/N_A}[/math]
[math]A [Bq/g] = \frac{\lambda N_A}{m}[/math]
ここで、m[g mol−1]は質量数、 NA[個数 mol−1]はアボガドロ定数である。 比放射能Aを半減期T1/2[s]を用いて表すと、
[math]A [Bq/g] = \frac{\ln2 \times N_A}{T_{1/2} \times m} \approx \frac{4.17\times 10^{23}}{T_{1/2} [s]\times m}[/math]
半減期の単位が年の場合は、
[math] \frac{4.17\times 10^{23}}{T_{1/2}[year] \times365\times24\times60\times60 \times m} \approx \frac{1.32\times 10^{16} }{T_{1/2}[year] \times m}[/math]
各物理パラメータは各核種ごとに固有の値が与えられ、各核種ごとに比放射能を求めることができる。たとえば、カリウム40の比放射能を求めるとすると、カリウム40の半減期は12.48億年なので、
[math] \frac{1.32\times 10^{16}}{1.248\times 10^{9} [year] \times 40} \approx 2.65\times 10^{5} [Bq/g][/math]
と算出される。
半減期が短い場合の近似的計算法
比放射能の計算方法を述べよう。まず、放射性同位体の質量数の意味は陽子数+中性子数であり、物質量の規則より、
アボガドロ定数/質量数=1グラムあたりの原子数
という公式である放射性物質が1グラムあったとき（半減期が短すぎるなどで一瞬で崩壊するなどは考えない）、その中にある原子数がこの公式で与えられるわけである。1キログラムあったときの原子数が知りたければ、これに1000を掛ければ良い。他の質量であっても同様に換算できる。ここで半減期の微分方程式を思い起こそう。ここで崩壊定数の時間の単位を秒で求めておく。
まず崩壊定数を求めて代入すると、1秒後には N(1)になっているから、N(0) − N(1) = 1秒間に減少した割合、つまり
[math]\exp(-\lambda \times 0) - \exp(-\lambda \times 1) = 1 - \exp(-\lambda) [/math]
この式は1秒後の残留割合を表している。初期値の原子数をA (0)と表せば、この割合にA (0)を掛ければ1秒間に壊変した原子数がわかるので、それが1秒間に壊変する原子数、つまりベクレルであることがわかる。ところでA (0)原子数は1グラムあたりで計算してあるので、求めるべき量は
[math]\mbox{Bq}/\mbox{g} = \mbox{A}(0)(1 - \exp(-\lambda))[/math]
である。
ここでは半減期が十分長く、初期の原子数が多過ぎない場合の計算について扱ったが、微分を用いる計算方法も存在する。その場合t =0における微分係数を1次近似としてt =1の時の残留割合として計算するわけである。崩壊定数も参照せよ。いずれにせよ半減期が十分に長く、原子数が多すぎなければどちらの手法で計算しても1秒間での放射能の減衰は無視できるため誤差は少ない。
具体例
ここでは具体的に、半減期を8日とする1 gのヨウ素131の比放射能を求めてみよう。まず1グラムあたりの原子数を求めれば
[math]A(0)=\frac{6.022\times 10^{23}}{131} \approx 4.597 \times 10^{21} [/math]
つまり1グラムのヨウ素131は4.597×1021個の原子（核）でできているわけである。次に崩壊定数を秒で求めれば
[math]\lambda=\frac{0.693}{8\times24\times60^2} \approx 1\times10^{-6}[/math]
である。1秒後の残留放射能の割合は初期値の
[math]N(1)=\exp(-\lambda \times 1) =\exp(-10^{-6}) \approx 0.999999 [/math]
つまり崩壊したのは
[math]N(0)-N(1) \approx 1-0.999999 =10^{-6}[/math]
これを初期値A (0)にかけると
[math]A(0)\times 10^{-6} \approx 4.597\times 10^{21}\times 10^{-6}[/math]
[math]\therefore 4.597\times 10^{21-6}=4.597\times 10^{15}[/math]
[math]\therefore 4.597\times 10^{15}\mbox{Bq}/\mbox{g}[/math]
つまり1グラムのヨウ素131あたりの放射能は4.597×1015 Bq/gということである。1kgあたりの比放射能を求めたければ1000を掛ければよく4.597×1018 Bq/kgである。なぜならば上記の計算では初期値を最後に掛けているため、初期値が増えてもその割合だけしか比放射能は増えないというわけである。
逆に1ベクレルあたりの原子数を求めたければ4.597×1015で4.597×1021を割ればよく、106の原子数があることになる。よく半減期で、10倍経過すれば放射能は（ほとんど）なくなるなどと言われているが、あくまでベクレルで計算した場合でほとんどなくなるにすぎず、このように原子数で考えれば1000分の1などたかがゼロが3つ少なくなるだけであり、原子数レベルでほぼゼロになるには途方も無い時間がかかることが十分理解できるであろう。
その他
上記の議論のように、半減期8日のヨウ素131の比放射能は 4.6×1018 Bq/kg であるが、半減期30.1年のセシウム137の比放射能は 3.2×1015 Bq/kg である。同じ質量 (kg) のヨウ素131とセシウム137を比較した場合、ヨウ素131の方が1秒間で約1,000倍多い放射線を出す能力がある。純粋な放射性同位体に対して、「質量を基準に」論じた場合において、半減期が長い放射性物質の方が危険という表現は完全に誤りである（放射能を基準に、すなわちBq単位で見た場合には長寿命各種の方が危険性が高い）。
比放射能の考え方は、医療分野、考古学分野など、放射線を用いた検査を行うどの分野においても使用される。一般的に、比放射能が高い標識化合物を使用した場合、各種検査の測定感度は向上する。しかし、生物や細胞に対して為害作用が増える、定量が不正確になる、溶液の不均一が生じやすいといった問題点もある。
比放射能の一覧
ここではいくつかの核種の比放射能の一覧を掲載する。アボガドロ定数を 6.02 × 1023 とし有効数字は3桁とした。計算式はλN (1gあたり原子数x崩壊定数単位は秒) である[10][11]。
アボガドロ定数割る質量数で1グラムあたりの原子数が求められるのは定義により明らか。
1ベクレルあたり原子数は崩壊定数の逆数である。
[math]\because\lambda{N}=N[/math]
とおいて、左辺を1としたときの量であるから、両辺を割ると得る。
また1ベクレルあたりの質量はλNの逆数である。定義により
[math]\because\lambda{N}=A Bq/g[/math]
であり、
[math]1g=ABq[/math]
であったから、Aベクレルを1にするには両辺をλNで割ると得られる。
例えば1グラム2ベクレルであれば、1ベクレルは0.5グラムなのは明らか。帰納的に同様の計算を行えば良い。
| 核種名 | 半減期 | Bq/g | 1グラムあたりの原子数(個数) | 1ベクレルあたりの原子数(個数) | 1ベクレルあたりの質量(グラム) |
|---|---|---|---|---|---|
| トリチウム | 12.3年 | 3.59×1014(1グラムあたり359兆ベクレル) | 2.00×1023 | 5.57×108(5億5700万個) | 2.79×10−15 |
| 炭素14 | 5700年 | 1.66×1011(1グラムあたり1160億ベクレル) | 4.30×1022 | 2.59×1011(2590億個) | 6.02×10−12 |
| カリウム40 | 1.25×109年 | 2.65×105(1グラムあたり26万5000ベクレル) | 1.51×1022 | 1.21×1017(12京1000兆個) | 8×10−6 |
| カルシウム45 | 162日 | 6.62×1014(1グラムあたり662兆ベクレル) | 1.34×1022 | 2.02×107(2020万個) | 1.51×10−15 |
| コバルト60 | 5.27年 | 4.18×1013(1グラムあたり41兆8000億ベクレル) | 1.00×1022 | 2.39×108(2億3900万個) | 2.39×10−14 |
| クリプトン85 | 10.8年 | 1.44×1013(1グラムあたり14兆4000億ベクレル) | 7.08×1021 | 4.92×108(4億9200万個) | 6.94×10−14 |
| ストロンチウム89 | 50.5日 | 1.07×1015(1グラムあたり1070兆ベクレル) | 6.76×1021 | 6.32×106(632万個) | 9.35×10−16 |
| ストロンチウム90 | 28.9年 | 5.09×1012(1グラムあたり5兆900万ベクレル) | 6.69×1021 | 1.31×109(13億1000万個) | 1.96×10−13 |
| イットリウム90 | 64時間 | 2.01×1016(1グラムあたり2京100兆ベクレル) | 6.69×1021 | 3.33×105(33万3000個) | 4.98×10−17 |
| ヨウ素131 | 8.02日 | 4.60×1015(1グラムあたり4600兆ベクレル) | 4.60×1021 | 1.00×106(100万個) | 2.17×10−16 |
| セシウム134 | 2.06年 | 4.79×1013(1グラムあたり47兆9000億ベクレル) | 4.49×1021 | 9.37×107(9370万個) | 2.09×10−14 |
| セシウム137 | 30.1年 | 3.21×1012(1グラムあたり3兆2100億ベクレル) | 4.39×1021 | 1.37×109(13億7000万個) | 3.12×10−13 |
ポロニウムおよび超ウラン元素は、ウラン238の比放射能を1としたときに、何倍の比放射能をもっているかも有効数字3桁で記述した。アルファ崩壊を起こす核種のアルファ線のエネルギーはガイガー・ヌッタルの法則に従い、比放射能が大きい(=半減期が短い)ほどアルファ線のエネルギーが高くなる法則がある。
| 核種名 | 半減期 | Bq/g | 1グラムあたりの原子数(個数) | 1ベクレルあたりの原子数(個数) | 1ベクレルあたりの質量(グラム) | ウラン238比の比放射能 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ポロニウム210 | 138日 | 1.67×1014(1グラムあたり167兆ベクレル) | 2.87×1021 | 1.72×107(1720万個) | 6.00×10−15 | 135億倍 |
| ウラン232 | 68.9年 | 8.28×1011(1グラムあたり8280億ベクレル) | 2.59×1021 | 3.14×109(31億4000万個) | 1.21×10−12 | 6680万倍 |
| ウラン233 | 1.59×105 | 3.57×108(1グラムあたり3億5700万ベクレル) | 2.58×1021 | 7.24×1012(7兆2400億個) | 2.80×10−9 | 2万8800倍 |
| ウラン234 | 2.46×105 | 2.30×108(1グラムあたり2億3000万ベクレル) | 2.57×1021 | 1.12×1013(10兆2000億個) | 4.35×10−9 | 1万8500倍 |
| ウラン235 | 7.04×108年 | 8.00×104(1グラムあたり8万ベクレル) | 2.56×1021 | 3.20×1016(3京2000兆個) | 1.25×10−5 | 6.45倍 |
| ウラン236 | 2.34×107年 | 2.40×106(1グラムあたり240万ベクレル) | 2.55×1021 | 1.06×1015(1060兆個) | 4.17×10−7 | 193倍 |
| ウラン237 | 6.75日 | 3.02×1015(1グラムあたり3020兆ベクレル) | 2.54×1021 | 8.42×105(84万2000個) | 3.31×10−16 | 2440億倍 |
| ウラン238 | 4.50×109年 | 1.24×104(1グラムあたり1万2400ベクレル) | 2.53×1021 | 2.04×1017(20京4000兆個) | 8.06×10−5 | 1倍 |
| ウラン239 | 23.5分 | 1.24×1018(1グラムあたり124京ベクレル) | 2.52×1021 | 2030個 | 8.08×10−19 | 100兆倍 |
| ネプツニウム237 | 2.14×106年 | 2.61×107(1グラムあたり2610万ベクレル) | 2.54×1021 | 9.74×1013(97兆4000億個) | 3.83×10−8 | 2100倍 |
| ネプツニウム239 | 2.36日 | 8.56×1015(1グラムあたり8560兆ベクレル) | 2.52×1021 | 2.94×105(29万4000個) | 1.17×10−16 | 6900億倍 |
| プルトニウム238 | 87.7年 | 6.34×1011(1グラムあたり6340億ベクレル) | 2.53×1021 | 3.99×109(39億9000万個) | 1.58×10−12 | 5110万倍 |
| プルトニウム239 | 2.41×104年 | 2.30×109(1グラムあたり23億ベクレル) | 2.52×1021 | 1.10×1012(1兆1000億個) | 4.35×10−10 | 18万5000倍 |
| プルトニウム240 | 6.56×103年 | 8.40×109(1グラムあたり84億ベクレル) | 2.51×1021 | 2.99×1011(2990億個) | 1.19×10−10 | 67万7000倍 |
| プルトニウム241 | 14.4年 | 3.81×1012(1グラムあたり3兆8100億ベクレル) | 2.50×1021 | 6.55×108(6億5500万個) | 2.62×10−13 | 3億700万倍 |
| プルトニウム242 | 3.75×105年 | 1.46×108(1グラムあたり1億4600万ベクレル) | 2.49×1021 | 1.71×1013(17兆1000億個) | 6.86×10−9 | 1万1800倍 |
| アメリシウム241 | 432年 | 1.27×1011(1グラムあたり1270億ベクレル) | 2.50×1021 | 1.97×1010(197億個) | 7.87×10−12 | 1020万倍 |
| アメリシウム242 | 16.0時間 | 2.99×1016(1グラムあたり2京9900兆ベクレル) | 2.49×1021 | 8.31×104(8万3000個) | 3.34×10−17 | 2兆4100億倍 |
| キュリウム242 | 163日 | 1.22×1014(1グラムあたり120兆ベクレル) | 2.48×1021 | 2.03×107(2030万個) | 8.20×10−15 | 98億4000万倍 |
| キュリウム244 | 18.1年 | 3.00×1012(1グラムあたり3兆ベクレル) | 2.47×1021 | 8.24×108(8億2400万個) | 3.34×10−13 | 2億4200万倍 |
| バークリウム247 | 1.38×103年 | 3.88×1010(1グラムあたり388億ベクレル) | 2.44×1021 | 6.28×1010(628億個) | 2.58×10−11 | 313万倍 |
| カリホルニウム252 | 2.65年 | 1.98×1013(19兆8000億ベクレル) | 2.39×1021 | 1.21×108(1億2100万個) | 5.05×10−14 | 16億倍 |
脚注
- ↑ 『英辞郎 第五版』、EDP編、アルク、2010年2月4日 ISBN 978-4-7574-1820-2。
- ↑ 小田稔ほか編、『理化学英和辞典』、研究社、1998年、項目「specific activity」より。ISBN 978-4-7674-3456-8
- ↑ 物理学辞典編集委員会編、『物理学辞典三訂版』、培風館、2005年、項目「比放射能」より。ISBN 4-563-02094-X。
- ↑ J.E.BRADY・G.E.HUMSTON著 『ブラディ一般化学 下』若山信行・一国雅巳・大島泰郎訳、東京化学同人、1992年、869頁。ISBN 4-8079-0348-9。原文でもキログラムではなくグラムでSI単位と記述がある。
- ↑ 5.0 5.1 飯田博美編、『放射線概論第6版』、通商産業研究所、2005年、129頁。ISBN 978-4-86045-101-1
- ↑ 長倉三郎ほか編集 『理化学辞典』 岩波書店、1998年2月。ISBN 4-00-080090-6。、項目「放射能」より。
- ↑ 7.0 7.1 物理学辞典編集委員会編、『物理学辞典三訂版』、培風館、2005年、項目「放射能濃度」より。ISBN 4-563-02094-X。
- ↑ 国立天文台編、『理科年表平成24年版ポケット版』、丸善出版、2011年、1056頁。ISBN 978-4-621-08438-0
- ↑ 長倉三郎ほか編集 『理化学辞典』 岩波書店、1998年2月。ISBN 4-00-080090-6。
- ↑ 国立天文台編、『理科年表平成24年ポケット版』、丸善、2011年、1056頁。半減期は同473から478頁を参考にした。
- ↑ 以上のデータに基いて計算して表を作成したが、日本アイソトープ協会、『アイソトープ手帳 11版』、丸善、2011年、129頁にも比放射能の表がある。
参考文献
- 長倉三郎ほか編集 『理化学辞典』 岩波書店、1998年2月。ISBN 4-00-080090-6。
- 後藤憲一ほか共編 『詳解物理学演習下』 共立出版、1968年。ISBN 4-320-03012-5。VII部7章問3および6に比放射能を計算する問題がある。
関連項目
外部リンク
- Wolfram|Alpha 核種名を英語（または元素記号）で入力すると比放射能など簡単な性質を出力してくれる（入出力はすべて英文）。ただし単位はBq/gである。Bq/kgを求めたければ103倍すればよろしい。また、関数電卓としてさまざまな計算にも利用できる。
- 上記サイトでヨウ素131の具体的データを計算してみたもの。グラムあたりの比放射能、秒で求めた崩壊定数なども見られる。