markdown
原子核と放射線md 021d2e1
lecture/physics/modern/atomic-nuclei-and-radiation.lecture.n.md
Download PDF

原子核げんしかく放射線ほうしゃせん

date2026-07-14document_iddoc_d4f67f249936d5fb264ec2dcd5be051fdescription原子核と放射線を、核種表示・保存則・質量欠損・半減期の指数減衰から証明付きで整理する講義である。prerequisites原子と量子の入口 / 仕事と力学的エネルギー / 指数関数type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/modern/modern-physics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/modern/introduction-to-atoms-and-quanta.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/first-law-of-thermodynamics.lecture.n.md
physicsmodernnuclear-physicsradiationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、原子核げんしかく変化へんかを、放射線ほうしゃせん名前なまえではなく、質量数しつりょうすう原子番号げんしばんごう、エネルギーの保存ほぞん方法ほうほう説明せつめいする。

原子核げんしかく反応はんのうでは、化学反応かがくはんのうよりもはるかにおおきなエネルギーが出入でいりする。その理由りゆうは、核子かくし結合けつごうした状態じょうたいと、ばらばらの状態じょうたい質量しつりょう完全かんぜんには一致いっちしないからである。この質量欠損しつりょうけっそんといい、E=Δmc2 によって結合けつごうエネルギーへ対応たいおうする。

2用語ようご定義ていぎ

核種かくしゅnuclideは、陽子数ようしすう中性子数ちゅうせいしすう区別くべつされる原子核げんしかく種類しゅるいである。

核種かくしゅ

AZX

く。A質量数しつりょうすうmass numberZ原子番号げんしばんごうatomic numberである。A陽子ようし中性子ちゅうせいし合計ごうけいZ陽子数ようしすうである。

質量欠損しつりょうけっそんmass defectとは、原子核げんしかくをばらばらの核子かくしにしたときの質量しつりょうと、実際じっさい原子核げんしかく質量しつりょうである。

Δm=Zmp+(A-Z)mn-Mnuc

結合けつごうエネルギーbinding energy EB

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]EB=Δmc2

定義ていぎされる。

3方針ほうしん

核反応かくはんのうでは、まずしき左辺さへん右辺うへんAZくらべる。質量数しつりょうすう電荷でんか保存ほぞんするため、未知みち粒子りゅうし核種かくしゅめられる。

半減期はんげんきでは、「一定時間いっていじかんおな個数こすうだける」のではなく、「一定時間いっていじかんおな割合わりあいだける」とる。このちがいが、一次関数いちじかんすうではなく指数関数しすうかんすうになる理由りゆうである。

4保存則ほぞんそく 1:核反応かくはんのうでの AZ保存ほぞん

核反応かくはんのうでは、反応前はんのうまえ反応後はんのうご質量数しつりょうすう A原子番号げんしばんごう Zひとしい。

4.1証明しょうめい

質量数しつりょうすう A陽子ようし中性子ちゅうせいし合計ごうけいである。核反応かくはんのうでは、核子かくしべつかくわったり、放射線ほうしゃせんとしてたりするが、反応式はんのうしきあらわれる核子かくし総数そうすう保存ほぞんする。したがって Aひとしい。

また、Z陽子数ようしすうであり、電荷でんか単位たんいせい電荷でんか対応たいおうする。電荷でんか保存ほぞんするため、電子でんし陽電子ようでんしふくめて反応式はんのうしきけば、反応前後はんのうぜんごZひとしい。

5整理せいり 2:代表的だいひょうてき放射性崩壊ほうしゃせいほうかい

放射性崩壊ほうしゃせいほうかいでは、つぎ変化へんかこる。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]α崩壊:AA-4,ZZ-2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]β-崩壊:AA,ZZ+1
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]γ崩壊:AA,ZZ

5.1証明しょうめい

α せんはヘリウム原子核げんしかくであり、

42He

としてあらわされる。したがって

AZXA-4Z-2Y+42He

けば、右辺うへん質量数しつりょうすう(A-4)+4=A原子番号げんしばんごう(Z-2)+2=Z である。よって親核おやかくからると A は 4 り、Z は 2 る。

β- 崩壊ほうかいでは、原子核げんしかくなか中性子ちゅうせいし陽子ようしわり、電子でんし放出ほうしゅつされる。中性子ちゅうせいし陽子ようしはいずれも核子かくしなので Aわらない。陽子数ようしすうは 1 えるため、原子核げんしかくZ は 1 える。放出ほうしゅつされた電子でんし電荷でんかふくめると、全体ぜんたい電荷でんか保存ほぞんする。

γ せんたかいエネルギーの電磁波でんじはであり、質量数しつりょうすう電荷でんかたない。したがって AZわらない。

6関係式かんけいしき 3:質量欠損しつりょうけっそん結合けつごうエネルギー

原子核げんしかく質量欠損しつりょうけっそんΔm とすると、その結合けつごうエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]EB=Δmc2

である。

6.1証明しょうめい

原子核げんしかく陽子ようし中性子ちゅうせいしにばらした状態じょうたい質量しつりょう

Msep=Zmp+(A-Z)mn

とする。実際じっさい原子核げんしかく質量しつりょうMnuc とすると、質量欠損しつりょうけっそん

Δm=Msep-Mnuc

である。

質量しつりょうとエネルギーの対応たいおう E=mc2もちいると、この質量差しつりょうさ対応たいおうするエネルギーは

Δmc2

である。原子核げんしかくをばらばらにするには、この対応たいおうするエネルギーを外部がいぶからあたえる必要ひつようがある。したがって結合けつごうエネルギーは

EB=Δmc2

である。

7関係式かんけいしき 4:半減期はんげんき整数回せいすうかいしき

半減期はんげんきT初期しょき個数こすうN0 とする。n かい半減期はんげんき経過けいかしたあと個数こすう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Nn=N0(12)n

である。

7.1証明しょうめい

n=0 のとき、

N0=N0(12)0

であり、しき成立せいりつする。

n かい半減期はんげんきあと

Nn=N0(12)n

であると仮定かていする。半減期はんげんきがさらに 1 かい経過けいかすると、個数こすう半分はんぶんになるので

Nn+1=12Nn=12N0(12)n=N0(12)n+1

である。したがって数学的帰納法すうがくてききのうほうにより、すべての自然数しぜんすう n成立せいりつする。

8指数減衰しすうげんすいとしての半減期はんげんき

連続時間れんぞくじかん tあつかうときは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]N(t)=N0(12)t/T

く。これは、t/T かいぶんの半減はんげんこったと指数関数しすうかんすうかたちである。t=T なら N=N0/2t=2T なら N=N0/4 になり、関係式かんけいしき 4 と一致いっちする。

9見分みわかた

  • 核反応式かくはんのうしきでは、まず AZ左右さゆうわせる。
  • α 崩壊ほうかいでは A が 4、Z が 2 る。
  • β- 崩壊ほうかいでは Aわらず、Z が 1 える。
  • エネルギーがわれたら、質量欠損しつりょうけっそん Δmもとめて E=Δmc2使つかう。
  • 半減期はんげんきでは、なんかいぶん半分はんぶんになるかをさきかぞえる。

10どこまで成立せいりつするか

E=Δmc2質量しつりょうとエネルギーの等価性とうかせい使つかう。反応はんのう詳細しょうさいでは、運動うんどうエネルギー、放射線ほうしゃせんのエネルギー、ニュートリノなどがエネルギーを分担ぶんたんする。半減期はんげんき大量たいりょう原子核げんしかくについての統計的とうけいてき法則ほうそくであり、個々ここ原子核げんしかくがいつ崩壊ほうかいするかを決定けっていするしきではない。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δm=Zmp+(A-Z)mn-Mnuc
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]EB=Δmc2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]N=N0(12)t/T

12一言ひとこと

原子核げんしかくでは、核反応かくはんのうAZ保存ほぞんい、エネルギーを質量欠損しつりょうけっそんはかる。

13関連かんれんリンク

data/lecture/physics/modern/introduction-to-atoms-and-quanta.lecture.n.md data/lecture/physics/thermodynamics/first-law-of-thermodynamics.lecture.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる