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放射線と放射性崩壊

α 線・β 線・γ 線の正体（ヘリウム原子核・電子・電磁波）と、それぞれの電荷、電離作用・透過力の大小、磁場での曲がり方について正しい記述を選べる。α 崩壊・β 崩壊で質量数・原子番号がどう変わるかを判断できる

前提

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算数中学高校大学大学院

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説明

放射性の原子核が出す3種類の放射線（α線・β線・γ線）について、正体・電荷・性質の違いを整理し、正しい記述を選べるようになります。また、α崩壊・β崩壊のあとに原子核の質量数や原子番号がどう変わるかを判断できるようになります。放射線の性質を比べる問題や、崩壊後にできる原子核を答える問題で使います。

なぜそうしてよいのか

不安定な原子核の中には、放射線を出して別の原子核へ自然に変わるものがあります。これを放射性崩壊（壊変）といいます。α線の正体はヘリウム原子核 （陽子2個と中性子2個）で、電荷は です。β線の正体は原子核から飛び出す電子で、電荷は です。γ線は波長のきわめて短い電磁波で、電荷をもちません。崩壊の前後では、核子の数（質量数の合計）と電気量（原子番号の合計）が保存されます。α崩壊では陽子2個と中性子2個がまとめて原子核から抜けるので、質量数が4、原子番号が2減ります。β崩壊では、原子核内の中性子1個が陽子1個に変わり、電子を1個放出します。核子の数は変わらないので質量数はそのままで、陽子が1個増えるので原子番号は1増えます。電気量で見ても となり、保存されています。（このとき反ニュートリノという、電荷をもたず質量がきわめて小さい粒子も同時に出ます。核子ではないので、質量数・原子番号の計算には関係しません。）γ線を出すだけでは、質量数も原子番号も変わりません。

放射線が物質中の原子から電子をはじき出してイオンにするはたらきを電離作用といいます。電荷が大きく重いα線は、まわりの原子と強く作用して次々に電離を起こし、そのぶん早くエネルギーを失って止まります。このため電離作用の強さは α線 > β線 > γ線 の順で、透過力（物質を通り抜ける力）は逆の γ線 > β線 > α線 の順になります。目安として、α線は紙1枚で止まり、β線は厚さ数 mm のアルミニウム板で止まります。γ線を弱めるには厚い鉛板などが必要です。

磁場の中を運動する荷電粒子は、速度が磁場に垂直な成分をもつとき、ローレンツ力を受けて進路が曲がります（速度が磁場に平行なら力は0で、直進します）。α線とβ線は電荷の符号が逆なので、曲がる向きも互いに逆です。電荷をもたないγ線は、どの向きに進んでもローレンツ力を受けず直進します。どちらがよく曲がるかは円運動の半径で比べます。磁場に垂直に入射した質量 、電荷の大きさ 、速さ の粒子では、ローレンツ力 が向心力になるので 、つまり です。α粒子の質量は電子の約7300倍なのに電荷は2倍しかないので、 はβ線の約3700倍もあります。α線の速さは光速の数％程度で、β線は光速に近いものの光速を超えません。速さの比はせいぜい数十倍なので、 の差のほうがはるかに大きく効きます。このため、放射性崩壊で出るα線・β線では、α線の半径のほうがずっと大きくなります。つまり、α線は曲がりにくく、β線のほうが大きく曲がります。

手順

  1. 正体と電荷を確認する：α線＝ヘリウム原子核 （）、β線＝電子（）、γ線＝電磁波（電荷 ）

  2. 電離作用と透過力を比べる：電離作用は α > β > γ、透過力は γ > β > α（逆の順）。α線は紙、β線は薄いアルミニウム板で止まり、γ線には厚い鉛板が必要

  3. 磁場中での曲がり方を判断する：速度が磁場に垂直な成分をもつとき、α線とβ線は互いに逆向きに曲がり、γ線は直進する。半径 より、 がはるかに大きいα線は曲がりにくく、β線のほうが大きく曲がる

  4. 崩壊による変化を判断する：α崩壊は 、β崩壊は 、γ線の放出では質量数も原子番号も変わらない

  5. 選択肢の記述を1つずつ、手順1〜4の事実と照らし合わせて正誤を決める

例題

放射線と放射性崩壊についての記述として正しいものを、次のア〜エのうちから1つ選べ。
ア　α線は電子の流れであり、紙1枚では止めることができない。
イ　β線は負の電荷をもつ電子の流れであり、磁場に垂直な向きに運動すると進路が曲がる。
ウ　γ線は正の電荷をもつので、磁場に垂直な向きに運動すると進路が曲がる。
エ　原子核がα崩壊すると、質量数は2減り、原子番号は4減る。

例題の解答

手順1（正体と電荷）：α線はヘリウム原子核の流れで、電子の流れではありません。さらに手順2（透過力）より、α線は透過力が最も小さく、紙1枚で止まります。よってアは誤りです。
手順1より、β線は電子の流れで、電荷は です。手順3より、速度が磁場に垂直な荷電粒子は大きさ のローレンツ力を受けて曲がります。よってイは正しい記述です。
手順1より、γ線は電磁波で電荷をもちません。手順3より、磁場に垂直に進んでもローレンツ力を受けず直進します。よってウは誤りです。
手順4より、α崩壊ではヘリウム原子核 が抜けるので、質量数が4、原子番号が2減ります。エは数が逆なので誤りです。
手順5：以上より、正しいものはイです。

答え:

イ

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること