１．放射線と物質の相互作用

高エネルギー加速器研究機構
山

崎

寛

仁

目

次

放射線と物質の相互作用
１

始めに … ……………………………………………………………………………………………………… １－１

２

放射線・加速器と法規制 ……………………………………………………………………………………… １－１

３

基礎知識 … …………………………………………………………………………………………………… １－２
３．１ 放射線の種類… ………………………………………………………………………………………… １－２
３．２ 物質の構造と成り立ち… ……………………………………………………………………………… １－３
３．３ 原子の構造とエックス線の発生… …………………………………………………………………… １－４
３．４ 原子核の構造と性質… ………………………………………………………………………………… １－５
３．５ 原子核の放射性壊変… ………………………………………………………………………………… １－６
３．６ α壊変… ………………………………………………………………………………………………… １－７
３．７ β壊変と電子捕獲反応… ……………………………………………………………………………… １－８
３．８ 自発核分裂… …………………………………………………………………………………………… １－８
３．９ γ線放出と内部転換電子… …………………………………………………………………………… １－８

４

エックス線・γ線と物質の相互作用… ……………………………………………………………………… １－８
４．１ 光電効果… ……………………………………………………………………………………………… １－９
４．２ レイリー散乱… ………………………………………………………………………………………… １－９
４．３ コンプトン散乱… ……………………………………………………………………………………… １－９
４．４ 電子対生成… …………………………………………………………………………………………… １－10
４．５ 光子と物質の相互作用まとめ… ……………………………………………………………………… １－10

５ 重い荷電粒子と物質の相互作用 … ………………………………………………………………………… １－11
５．１ 電離と励起… …………………………………………………………………………………………… １－11
５．２ 阻止能… ………………………………………………………………………………………………… １－11
５．３ 飛程… …………………………………………………………………………………………………… １－12
５．４ 質量阻止能と質量飛程… ……………………………………………………………………………… １－12
６ 軽い荷電粒子と物質の相互作用 … ………………………………………………………………………… １－12
６．１ 電子・陽電子入射の場合の衝突反応………………………………………………………………… １－12
６．２ 電子・陽電子入射の場合の制動放射………………………………………………………………… １－12
６．３ 電子・陽電子入射のその他の放射…………………………………………………………………… １－13
６．４ 電磁カスケードと放射長… …………………………………………………………………………… １－13
７ 中性子線と物質の相互作用、核反応 ………………………………………………………………………… １－14
７．１ 断面積と核反応… ……………………………………………………………………………………… １－14
７．２ 核反応の表記… ………………………………………………………………………………………… １－15
７．３ 中性子と物質の相互作用… …………………………………………………………………………… １－15
８

中性子以外の粒子の核反応 … ……………………………………………………………………………… １－16

参考文献 … ………………………………………………………………………………………………………… １－18

三 ガンマ線及び特性エックス線（軌道電子

放射線と物質の相互作用捕獲に伴って発生する特性エックス線に限る。）

1. 始めに

四 一メガ電子ボルト以上のエネルギーを有する電子線及びエックス線

今年のセミナーは「標的と２次ビーム」がテーマであり、この講義は最初の２コマに相当すと定義されている[2]。想像されるよりも広い範囲る。本講義では、加速器と関わりの深い放射線で定義されていると同時に、地上での宇宙線主と物質の相互作用について初学者を対象に説明

要成分であるミュオンは法律上の放射線の定義する。そのため、始めに放射線と物質の相互作に含まれていない事に驚かれるかもしれない。

用を理解するのに必要な基礎知識として原子や次に加速器の法律上の定義を見てみよう。一原子核の構造について説明し、実際に２次ビー

般的に加速器を規制する法律は“放射性同位元

ムを生成する機構の詳細は、あとに続く個々の素等の規制に関する法律”であるが、加速器で講義に任せることとする。このテキストは、講はなく「放射線発生装置」として規制の対象に義の内容を網羅的に説明するのではなく要点だ

なっている。放射線発生装置は法第二条においけをまとめるつもりであるが、説明に使用するて、図などは参考文献から参照し、今後の参考とな

この法律において「放射線発生装置」とは、るようにしたい。

サイクロトロン、シンクロトロン等荷電粒子を加速することにより放射線を発生させる装2. 放射線・加速器と法規制

置で政令で定めるものをいう。

これから加速器について講義をするに当たっと定義されている[3]。政令では、て、まずは放射線と加速器について法律上の定

法第二条第五項に規定する政令で定める放射義を説明する。

線発生装置は、次に掲げる装置（その表面か皆さんは放射線とは何かと聞かれたとき、何ら十センチメートル離れた位置における最大を頭に思い浮かべるであろうか。放射性同位元

線量当量率が原子力規制委員会が定める線量

素から出てくるベータ線、医療で使用されるエ当量率以下であるものを除く。
）とする。

ックス線などを連想する人が多いと思う。また一

サイクロトロン

自然界に存在する放射線として、火成岩から出

二シンクロトロンてくるガンマ線や宇宙線を思い浮かべる人もい三シンクロサイクロトロンるだろう。また身近な加速器としては、医療用

四直線加速装置の電子リナックやエックス線発生装置を思い浮五

ベータトロン

かべるかもしれない。

六ファン・デ・グラーフ型加速装置

放射線は“原子力基本法”において、

七

コックロフト・ワルトン型加速装置「放射線」とは、電磁波又は粒子線のうち、直八 その他荷電粒子を加速することにより放接又は間接に空気を電離する能力を持つもの

射線を発生させる装置で、放射線障害ので、政令でさだめるものをいう

防止のため必要と認めて原子力規制委員会が指定するものと定義されていている [1]。ここで政令とは、“核燃料物質、核原料物質、原子炉及び放射線の定が放射線発生装置の定義となっている[4]。原子力

義に関する政令”であり、規制委員会が定める放射線発生装置に該当する

一
二

アルフア線、重陽子線、陽子線その他の線量当量率の基準は、重荷電粒子線及びベータ線

一センチメートル線量当量率について六百ナ

中性子線

ノシーベルト毎時とする

１－ 1

と定められている[5]。放射線発生装置として原子理等の教科書を参考にされたい。例えば、参考

力規制委員会が指定するものとしては、

文献 [8] の 4 ページには主なレプトン、メソン、変圧器型加速装置、マイクロトロン及びプラ

バリオンがまとめられている。参考文献 [9] は、

ズマ発生装置（重水素とトリチウムとの核反素粒子やほぼすべてのメソン、バリオンの性質

応における臨界プラズマ条件を達成する能力がまとめられているとともに、これらの粒子にをもつ装置であって、専ら重水素と重水素と適用される物理や放射線と物質の相互作用につの核反応を行うものに限る。
）

いてもコンパクトにまとめられている。

と指定されている[6]。一方、医療機関において主

本講義では、放射線を高いエネルギーを持つに診断で用いられるエックス線装置は、これま

電磁波（エックス線、ガンマ線）、電子線（陽電で見てきた法律の規制対象となる放射線発生装子線、ベータ線）、重い荷電粒子線、中性子線と置には該当せず、医療法において規制されてい分類し、物質との相互作用を説明する。空気をる[7]。皆さんが放射線発生装置として思い浮かべ

電離可能な荷電メソン線や電子線以外のレプト

た機器は、放射性同位元素等の規制に関する法

ン線は重い荷電粒子線に分類する。

律で規制する放射線発生装置に含まれていただ

電磁波に関しては、ラジオやテレビなどで使ろうか？これまで見てきた様にこれから皆さん用されている電波、我々の目で見ることが可能

が学んでいく加速器や放射線が多くの法律によな可視光線、日焼けの原因となる紫外線など、る規制を受けていることが想像できると思う。

電磁波の波長、すなわち光子の持つエネルギー
によって様々な呼び方がある。Fig. 1 に、電磁波

3. 基礎知識の波 長 とその 時 の名 称に つ いて 示し た 図を 示す。この図は、環境省が東日本大震災後に起こ

3.1. 放射線の種類

った東京電力福島第一原子力発電所事故からの前節において法律上の放射線の定義を説明し復興を進めるために、放射線の基礎知識と健康たが、本講義では、「直接又は間接に空気を電離影響に関する科学的な知見や関係省庁の取組にする能力を持つ電磁波又は粒子線」を放射線とついて統一的な基礎資料をまとめた、「放射線にして扱う。法律上の放射線の定義では、荷電粒

よる健康影響等に関する統一的な基礎資料 令和子に対して「アルフア線、重陽子線、陽子線そ４年度版」 [10] から引用したものである。この資の他の重荷電粒子線及びベータ線」となってい料は、上巻に放射線の基礎知識、放射線によるるが、本講義ではここに含まれない電離可能な荷電粒子も放射線として取り扱う。重粒子（バリオン）は、クォーク３個から構成される粒子であり、電荷を持つ重粒子である、陽子、荷電シグ マ 粒子な ど は重 荷電 粒 子に 含ま れ る。 また、重粒子から構成される荷電粒子もまた重荷
電粒子となるため、陽子と中性子（２つ合わせて核子と呼ぶ）から構成される原子核や重イオンなども重荷電粒子に含まれる。重荷電粒子以外の荷電粒子としては、クォークと反クォークから構成される ±±等の荷電中間子（荷電メソン）や、ベータ線の構成要素である電子・陽電子と同じ荷電レプトンであるミュオンも放射線として扱う事とする。メソン、バリオンやレプ
トンについての詳細は、素粒子物理、原子核物

１－ 2

Fig. 1 光の波長と光子の持つエネルギー。
参考文献 [10] より引用

被ばく、放射線による健康影響、防護の考え方
等が、下巻には福島第一原子力発電所の事故の状況や環境再生に向けた取組などがまとめられた資料であり、興味のある方は環境省の web ページを参照されたい。
図の上に示されるように、波長の長い、つまりエネルギーの低い領域においては、電磁波は電波 と 呼ばれ る 。電 波に も 波長 によ っ て、 長波、 中 波、短 波 、等 の呼 び 名が ある 。 波長 が350 nm 程度から 750 nm 程度の領域は可視光と呼ばれ、人間が目で感知できる領域であるとともに、その波長に応じた色が認識される。それ
より短い波長領域（10 nm 程度まで）は 紫外線と呼ばれ、更に短い波長領域の電磁波は、エックス 線 または ガ ンマ 線と 呼 ばれ る。 エ ック ス
線、ガンマ線は放射線に含まれる。エックス線とガンマ線の違いは、後に述べる軌道電子の遷移に伴う物をエックス線、原子核の状態変化に

Fig. 3 物質の構成要素のエネルギースケールとそこではたらく代表的な相互作用。
参考文献 [8] 図 1.2 より引用伴うものをガンマ線と呼ぶ。制動放射やシンク
ロトロン放射光の場合には、エネルギーの低い領 域 （ keV 程 度 ） を エ ッ ク ス 線 、 高 い 領 域（MeV 以上）をガンマ線と呼ぶ場合が多いが、厳もに示した。また Fig. 3 には、物質の構成要素ご

密な定義は決まっていない。

とのエネルギーのスケールと、そのスケールで3.2. 物質の構造と成り立ち働く代表的な相互作用を示す。

私達の世界を構成する物質はどこまで分割で液体の水を分割していくと、分子に到達すきるであろうか。Fig. 2 に私達に馴染み深い水をる。水分子の大きさの目安は原子の大きさとほどこまで分割可能かを、その大きさの目安とととんど変わらずିଵm 程度である。分子は原子から構成され、原子の中心には原子核が、原子核の周りには軌道電子が存在している。分子や原子のスケールでの主な相互作用は光子の交換で生じる電磁気力であり、そのエネルギーのス
ケールは eV から keV オーダーである。原子の性質は、軌道電子の数によって決定される。原子核は陽子と中性子から構成され、大きさの目安は

ିଵସm 程度である。原子核のスケールでの主な相互作用は、中間子の交換で生じる核力であり、そのエネルギースケールは MeV のオーダーである。核力はグルオンの交換から生じる強いFig . 2 物質の構造と大きさのめやす。
参考文献 [11]より引用

相互作用に分類されるものだが、原子核の性質を考える際には現象論的に中間子の交換による核力が生じると考えたほうが都合がよい。原子１－ 3

核は、構成する陽子の数と同じ大きさのプラス殻と呼ばれる。鉛原子における電子の束縛エネの電荷を持つ。原子が電気的に中性であること

ルギーを Table 1 に示す。各々の殻に配置可能なから、マイナスの電荷を持つ軌道電子の数は、電子の数は決まっていて、例えば、K, L, M, N 殻

原子核中の陽子の数と等しい。原子核を構成すに対してそれぞれ 2, 8, 18, 32 個となる。

る陽子と中性子は、電荷を除き、同じスピン、Table 1 鉛原子内の電子の束縛エネルギー

ほぼ同じ質量を持つことから、核子と言う一種類の粒子の、電荷という状態（もしくはアイソ

殻の名称

スピンの第 3 成分）が異なるだけの物として扱わ

束縛エネルギれることがある。原子核の性質は、電磁気力にー (keV)

K

L

M

N

O

P

88

14

3

<1

<1

<1

影響を与える陽子の数だけではなく、中性子の数にも影響を受ける。陽子の数が等しく、中性子の数が異なる原子核のことを同位体と呼ぶ。
核子は更に 3 個のクォークから構成されていることがわかっている。この領域での主な相互作用
は、原子核で説明した強い相互作用であり、そのエネルギースケールは GeV オーダーである。
強い相互作用の性質から、核子や中間子からクォークを単独で取り出すことはできない。電子やクォークは（今のところは）それ以上分割できない素粒子と考えられている。

陽子や中性子の軌道にも存在するが、原子と原子核では相互作用の性質から構造が異なるため注意が必要である。
光子が原子と相互作用を起こし軌道電子が原子から弾き飛ばされることを電離という。電離やのちに説明する原子核の放射性壊変によって原子核の電荷が変化すると、軌道電子の殻に空孔が生じる。束縛された電子が占めていた軌道に空孔が生じると、原子全体のエネルギーは空孔の存在する軌道の束縛エネルギー分だけ剰余3.3. 原子の構造とエックス線の発生
原子の大きさは原子の種類によらずこのような殻構造はのちに説明する原子核の

ିଵ଴

m程

度で あ る。中 心 にプ ラス の 電荷 をも つ 原子 核が、その周りに軌道電子が存在している。原子は電気的に中性であることから、軌道電子の数
は原子核に含まれる陽子の数に等しい。軌道電子は原子内に束縛されていて、殻構造をとる。
殻は束縛エネルギーの深い側から K 殻、L 殻、Mエネルギーとなる。この剰余エネルギーは、より外側の軌道電子が空孔に遷移することで光子として放出されるか、他の軌道にある電子を原子外に放出することで軽減される。前者は特性エックス線の放出に、後者はオージェ電子の放出に対応する。原子の電子軌道に空孔が形成された後は、特性エックス線かオージェ電子のどFig. 4 Table of Isotopes 8th ed. に掲載されている、K 殻に 100 個の空孔が生じたときの特性エックス線のエネルギーと強度をまとめた表の冒頭部。参考文献 [12] Table 7 より引用

１－ 4

ちらかが放出されることでエネルギー剰余が緩量数と呼ぶ。陽子の個数 は、元素の原子番号に和される。両者は競合過程にある。

等しい。原子の大きさは、原子の種類を問わずある殻に空孔が生じたときに放出される特性 X

ほぼ同じであったが。原子核半径 は、質量数線のエネルギーと強度は、Table of Isotopes 8thedition[12]の Table 7 にまとめられている。Fig. 4に、例として参考文献 [12] Table 7 の冒頭部を示す。K 殻に 100 個の空孔が生じたときに、放出、定数଴ を用いて、とがで きる。こ こで 、 ଴

଴

ଵȀଷ

と求めるこ
ିଵହ

m であ

る。例えば、陽子 8 個と中性子 8 個からなる酸素
原子 核 (

される特性エックス線のエネルギー (keV) と強度）の 半径 を 求め る と、ିଵହm となる。原子核半径が ଵȀଷ に（個数）が元素ごとにまとめられている。実際の比例するということは、原子核の密度が質量数

表は、Rf（ラザフォージウム、原子番号 104）まに寄らないことを示している。

でのすべての元素に対して、K 殻、L1 殻、L2中性原子の質量を としたとき、原子を構成す

殻、L3 殻に空孔が生じた場合が掲載されている陽子、中性子、電子の質量の合計との差を質る。
る確率は、蛍光収率 (Fluorescent yield) と呼ば

量欠 損 と言う 。 陽子 、中 性 子、 電子 の 質量 をは、各々 ௣ ௡ ௘ とすると、質量欠損

れ、元素の原子番号が増大するとともに高くなと書くことができる。質量欠損は、陽子と中性る。蛍光収率の値と誤差は、参考文献 [12] の子が核力によって原子核を構成する際の結合エ

Table 3, 4 に掲載されている。また、特性エック

ネルギーが原因である。

空孔が生じた際に特性エックス線が放出され

௣

௘

௡

ス線放出と競合過程であるオージェ電子放出に核子一個あたりの結合エネルギーを Fig. 5 に示

ついては、同じく参考文献 [12] の Table 8 に掲載

す。陽子 2 個と中性子 2 個から構成されるヘリウ

されている。

ム 4 (He-4) 原子核や、陽子 8 個中性子 8 個から構成される酸素 16 原子核 (O-16) は近傍の原子核

3.4. 原子核の構造と性質と比較して結合エネルギーが大きいことがわか

原子核は、少数（200 個程度まで）の陽子と中る。これは、原子核が核力による殻構造を取っ性子が核力により固く結びついてできている。

ていることによる。核子 1 個あたりの結合エネル

原子核中の陽子の個数を 、中性子の個数を とギーは質量数 60 付近で最大である。図中の鉄 56が成り立つ。ここで、 を質

原子核 (Fe-56) はその指標としてよく使用される

すると、原子核であり、これより軽い原子核は融合することでエネルギーを放出（核融合）し、これより重い原子核は分裂することでエネルギーを放出（核分裂）する。

Fig. 5 核子 1 個あたりの結合エネルギー。
参考文献 [13] 図 2.1 より引用

Fig. 6 3 つの水素同位体。
参考文献 [14] より引用

１－ 5

原子の性質が、軌道電子の数、特に最外殻のは同重体の関係にある。Fig. 7 に、A=40 同重体

電子 の 数で決 ま るの に対 し て、 原子 核 の性 質のエ ネ ルギー 準 位と 寿命 を 書い た核 図 表を 示

は、陽子の数と中性子の数により決定される。

す。これは参考文献[12]の Summary Scheme か陽子の数が同じ原子核であっても、中性子の数ら引用した。Ar-40 は希ガス元素であり、常温でが異なると性質も異なる。陽子の数が同じで質気体である。地球の大気中には窒素、酸素につ量数の異なる核種の関係を、同位体 (isotope) といで多く含まれる元素であり、その割合は 1%程いう。ここで、原子核を表す際によく使用する度である。Ca-40 の同位体存在比は約 98%であ

表記をまとめておく。陽子 個、中性子 個からり、カルシウム同位体の中で最も大きい。K-40構成される原子核を持つ元素を表現する場合、は天然放射性同位元素であり、その半減期は約もしくは E-A と表記される。ここで E は12.5 億年である。Fig. 7 中の半減期は 12.77 億年

஺
௓

、

஺

元素記号である。Fig. 6 に例として水素の同位体とあるが、最近のデータではを示す。水素には 3 つの同位体が存在し、うち質る[15]。K-40 は、約 90%がβ崩壊で Ca-40 に、残量数が 1 と 2 の 2 つは安定であり、3 のものは不りの約 10%が電子捕獲で Ar-40 に壊変する。元年であ,素記号の上のラインは、その原子核の基底状態

H-3 等と表される。水素元素の場合には各々に名のエネルギーに相当し、一番低いエネルギーの(hydrogen) 、 重 水 素

核種をゼロとして keV 単位で縦軸が書かれてい(deuterium)、三重水素 (tritium) と呼ばれる。

る。基底状態の上に書かれた数字と符号（Ar-40

また そ の 原子 核 はそ れ ぞ れ proton, deuteron,では ା ）は、基底状態の持つスピンとパリティ安定である。これらの元素はそれぞれ、
前 が あ り 、 水 素

ଵ

, ଶଵ

ଽ

triton と呼ばれ、p, d, t と表記される。他に原子を表す。放射性壊変については、次節で説明す

核に元素と異なる名前が付されるものに、ヘリる。

ウム-4 (He-4, helium-4) とD粒子がある。
一方、質量数が等しく原子番号の異なる核種

3.5. 原子核の放射性壊変のことを同重体 (isobar) と呼ぶ。例えば、安定な安定でない原子核は、主に放射線を放出する原子核である Ar-40, Ca-40 および崩壊系列に属ことにより、よりエネルギーの低い原子核に変さない天然の放射性同位元素として有名な K-40化する。この放射性同位元素が自発的に放射線Fig. 7 A=40 の同重体の核図表。縦軸はエネルギー準位に相当する。K-40 は、10%が電子捕獲により Ar-40 に、残りの 90%がベータ崩壊で Ca-40 に壊変する。Ar-40, Ca-40 は共に安定であり、不安定な核種の基底状態の上にある時間は半減期を表す。参考文献 [12]より引用

１－ 6

を放出し別の元素になることを放射性壊変とい壊と考えると、想定設計寿命まではほぼ崩壊せう。壊変前の原子核を親核、壊変後の原子核をず、想定寿命前後で使用可能な個体数が比較的娘核という。放射性壊変により放射線を放出す

急激に減少し、Fig. 8 上に示すような“逆 S 字カる能力のことを放射能といい、単位時間に起こーブ”を描く。それに対し放射性同位元素の崩る壊変の数を放射能の指標とする。放射能の単壊は常に一定の割合で起こるため、指数関数的位として一般的に使用されるものは[Bq]（ベクに減少する。ある時点での放射性同位元素の数レル）であり 1 秒あたりに起こる壊変数を表す。

が半分になるまでの時間を半減期といい、崩壊

ある時間 での放射性同位元素の数を定数 、平均寿命 とは、ln を自然対数として

射能を

個、放

[Bq]とすると、

ଵȀଶ

の関係がある。
଴ିఒ

の関係が成り立つ。ここで主な放射性壊変には、D壊変、E壊変、自発核
଴ は

における

放射性同位元素の個数であり、 は崩壊定数と呼ばれる定数である。放射性同位元素の個数が崩分裂壊変、及びそれに伴うJ線放射がある。
3.6. D壊変と親核である放射性同位元素が He-4 原子核を放表記 す る）と 言 い、 崩壊 定 数は その 逆 数で あ出して娘核に壊変することをD 壊変という。このる。家庭で使用する洗濯機や自家用車等の工業際に放出される原子核は D 線と呼ばれる。He-4

製品が故障等により使用できなくなることを崩

原子核は陽子 2 個、中性子 2 個で構成されている

壊により倍になる時間を平均寿命（通常ため、娘核の原子番号は 2 つ減少し、質量数は 4つ減少する。
親核が娘核とD粒子の複合状態と考えた時の、D粒子が感じるポテンシャルを Fig. 9 に示す。横軸は娘核とD粒子の距離を示す。 ఈ は娘核とD粒子が完全に離れた時に解放されるエネルギーを示す。娘核とD粒子の距離が小さい領域では、核子間に働く核力により強い引力ポテンシャルがFig. 9Fig. 8 工業製品と放射性同位元素の壊れ方の違い。参考文献 [16] より引用。

１－ 7

親核を娘核とD 粒子の複合状態と考えた時のポテンシャル。
参考文献 [17] 図 103 より引用

生じる。一方、娘核とD粒子の距離が大きい領域

核分裂の際には、親核が 2 個に分裂すると同時にでは、双方の持つ正電荷のため、核力による強2~3 個の中性子を放出する。

い引力の外側にクーロン力による斥力障壁ポテ
ンシャルが生じる。親核は、娘核とD粒子の距離

3.9. J線放出と内部転換電子
放射性壊変により生成した娘核は基底状態にが小さい状態に相当し、 ఈ が原子核周辺のクー

ロン障壁より小さいため準安定な状態を形成す

あるとは限らず、不安定な励起状態にある場合る。しかしながら、トンネル効果によりD粒子がも多い。その際、J線を放出してより安定な状態

クーロン障壁の外側に通過すると、そこでのクに遷移するか、放出されたJ線が軌道上の電子にーロンポテンシャルは ఈ より小さいため、D壊変

エネルギーを与え軌道電子を放出する。前者をJが成立する。

線放出、後者を内部転換といい、放出される電子を内部転換電子という。J線放出や内部転換で3.7. E壊変と電子捕獲反応

は、原子番号や原子核の質量数は変化しない。
J線放出と内部転換は競合過程であり、原子番親核である放射性同位元素が電子または陽電子を放出する壊変を、

ି

または

ା

壊変と呼ぶ。

この壊変により、娘核の原子番号は 1 つ増加もしくは減少する。娘核の質量数は親核の質量数と同じである。
壊変の際に核内でおこる反応は、自由空間で号が大きいほど内部転換の割合が増える。J線の放出個数（ ఊ ）に対する内部転換電子の放出個数（ ௘ ）の割合を内部転換係数（ ）と言い、ୣとあらわすことができる。

ஓ

起きる中性子の崩壊と同じか、その変形の反応

内部転換が起きると電子軌道上に空孔が生じである。自由空間では、半減期約 10.8 分で、るため、引き続き特性エックス線やオージェ電ି子の放出が起こる。原子および原子核のエネルと中性子が陽子、電子、反ニュートリノに崩壊

ギー状態が剰余になった場合にどのように放出する。原子核内では中性子や陽子が束縛されてするかを Table 2 にまとめる。

いるため、自由空間と同じ反応だけではなく、ିା

Table 2 原子及び原子核エネルギーの放出方法と陽子が中性子、陽電子、ニュートリノになる

放出対象

光子放出

電子放出

反応や、陽子が軌道電子を捕獲し中性子とニュ

関連する
係数

ートリノになる反応が起こる。これらの反応を

特性エッ

オージェ

エネルギー

クス線

電子

壊変、EC

原子核の

J線

内部転換

内部転換

壊変は互いに競合過程にあるが、Fe-55 のよう

エネルギー

電子

係数

それぞれ、

ା

原

壊 変 、 軌 道 電 子 捕 獲 （ Electron

Capture, 略して EC）壊変と呼ぶ。

ା

子

の

蛍光収率

に、ほぼ 100%の確率で EC 壊変を起こす核種もある。

4. エックス線・J線と物質の相互作用

3.8. 自発核分裂

エックス線やJ線（合わせて光子と呼ぶ）が物

ウランやカリホルニウムなどの重い原子核に質に 入 射した 際 に起 こる 主 な現 象は 、 光電 効

おいては、中性子照射などの外部からの刺激を果、レイリー散乱、コンプトン散乱、電子対生受けることなく核分裂を起こすものがある。こ成である。以下に、大まかに入射光子エネルギのように自然に起こる核分裂のことを、自発核ーの低い側から説明する。

分裂（Spontaneous Fission, SF）と呼ぶ。自発１－ 8

で重要な反応である。また、光電効果は原子に束縛された軌道電子にエネルギーを与えて放出する反応であるため、軌道電子の束縛エネルギーに相当するしきい値が存在する。入射光子のエネルギーが、電子の束縛エネルギーを下回る
場合には反応が起こらない。Fig. 10 に、Ag に低エネルギー光子が入射した際の光電効果の起きる確率を示す。 ିଷǤହ に比例する連続部分に、数か所不連続な構造が見られる。この不連続な構造を吸収端といい、軌道電子の殻の束縛エネル
ギーに相当する。図中の K, LⅠ,,,等と注釈の付く部分が、原子の K 殻、LⅠ殻,,,の束縛エネルギーに相当する吸収端である。
4.2. レイリー散乱
レイリー散乱は、原子が一体となって光子を散乱する反応であり、光電効果と違い軌道電子の放出を伴わない。原子の質量が大きく、光子

Fig. 10 Ag に低エネルギー光子が入射したときの光電吸収係数（反応の起きる確率に相当）。参考文献 [18] 図 1.21 より引用。グラフの元は他書 [19] からの引用である。

から原子へのエネルギー移行は極めて僅かであるため、入射光子はエネルギーを変えず方向のみを変える。レイリー散乱の確率は、原子番号 Zに比例する。
4.3. コンプトン散乱

4.1. 光電効果
入射した光子が原子によって吸収され、軌道

光電効果を考える場合には、原子に束縛され電子 が 原子か ら 飛び 出す 反 応を 光電 効 果と いた軌道電子に光子が吸収される反応を想定したう。真空中の自由電子と光子が反応する場合にが、束縛されない自由な電子に光子が入射したは、エネルギー保存と運動量保存を同時に満たす条件があるため、光子が吸収されて終状態に含まれない反応は起きないが、光子と、原子に束縛された軌道電子との反応を考えると、光子が吸収される反応が起きる。
光電効果の起きる確率は、物質を構成する原子の原子番号が増大するにつれ急激に増大し、
௡(n は 3~5) に比例する。そのため、水などの原

子番号の小さな物質においてはそれ程重要な反応とはならないが、鉛等の原子番号の大きな物
質では重要な反応である。
確率は、入射光子のエネルギーを E とすると、おおよそିଷǤହに比例する。そのため、数100 keV 以下の入射光子のエネルギーが低い領域

１－ 9

Fig. 11コンプトン散乱の概念図。参考文献[20] Fig. 2.22 より引用。

場合には光電効果は起こらないことはすでに述る。そのため、電子と陽電子が同じエネルギー

べた。コンプトン散乱は、Fig. 11 に示すようを持って放出されることは殆どない。光子のエに、静止している電子に光子が衝突し、散乱にネルギーが極端に高い（例えば 1 PeV）場合によりエネルギーを失った光子と、反跳によりエは、電子・陽電子対のうちどちらかがほぼすべ

ネルギーを得た電子が原子外に放出される反応てのエネルギーを持つ確率が高くなる。参考文である。入射光子のエネルギーを
量を

、電子の質

� とし、入射光子と散乱光子のなす角をとすると、運動量保存、エネルギーの保存により散 乱 光 子 の エ ネ ル ギ ー （
�

�

�

∘

のときに最小となる。

∘

4.5. 光子と物質の相互作用まとめ
光子が物質に入射した場合に起こる反応の確） は 、率を、炭素、鉛に対して光子のエネルギーごとと求めることができる。コンプトン散乱による散乱光子のエネルギーは、

献 [9] Figure 34.18 などを参照されたい。

のときに最大、に プ ロ ッ ト し た も の を Fig. 12 に 示 す 。
���� �������� ������� ��� � は、各々、光電効

果、レイリー散乱、コンプトン散乱、原子核による 電 子対生 成 、電 子に よ る電 子対 生 成を 表標的となる電子を自由な電子の集まりとしてす。 鉛 に光子 を 入射 した と きに のみ 見 られ る

あつかう反応のため、原子 1 個あたりの反応の確率は電子の個数、すなわち原子番号 Z に比例する。確率の散乱角度依存性（角度微分断面積）
は、有名なクライン‐仁科の公式により計算される。
4.4. 電子対生成
光子が物質中の原子核からの強い電場を受けて電子と陽電子を同時に生成する反応を、電子対生成という。また、原子核の電場による電子対生成よりも確率は小さいが、原子中の電子からの電場によっても電子対生成が起こる。静止
質量を持たない光子から電子・陽電子を対で生成するため、電子と陽電子の運動エネルギーの和は、入射光子のエネルギーから、電子・陽電子の質量（すなわち、電子質量の 2 倍）を引いた値となる。入射光子のエネルギーが、電子質量の 2 倍より小さい場合には、電子対生成はおこらない。
原子核による電子対生成反応の確率は、Z(Z+1) logE に比例する。Z(Z+1)の項から、原子番号の小さい軽い物質よりも、原子番号の大きい重い物質で重要な反応である。
光子のエネルギーが比較的低い領域では、電子と陽電子のエネルギー分布は、0 から最大エネ
ルギ ー まで広 が る比 較的 平 坦な 連続 分 布と な

１－ 10

Fig. 12 炭素（上）と鉛（下）に光子が入射した場合の各々の反応確率。参考文献 [9]Fig. 34.15 より引用。

����� に関しては、光子が原子核に入射した際に起きる原子核反応の確率を表す。見ての通り、
放射線と物質の反応において、原子核反応の確率は小さい。

5. 重い荷電粒子と物質の相互作用
ここでは、電子、陽電子以外の荷電粒子を重い荷電粒子としてあつかうことにする。エネル
ギーを持った重い荷電粒子が物質に入射されると、物質中の電子とのクーロン相互作用によりFig. 13 入射粒子の電荷が 1 のときの、阻止
能と の関係。ただし、阻止能の単位は任意である。参考文献 [21] 図 4.2 より引用。

エネルギーを失い、物質が十分厚いときには物質中に停止する。荷電粒子の質量が電子と比較して大きいため、電子との相互作用では方向を変えることなく静止に至る。しかしながら、ごくまれに原子核と衝突し大きく方向を変えることがあり、これをラザフォード散乱という。

5.2. 阻止能
重い荷電粒子が物質中を進む際に、単位長さ

5.1. 電離と励起

あ た り に 失 う エ ネ ル ギ ー を 阻 止 能 (stopping

光物質中の電子との相互作用で荷電粒子がエ

power) という。物質中の電子と、入射する重いネルギーを失う場合には、物質中の原子の軌道

荷電 粒 子の衝 突 を量 子力 学 的に 計算 し た結 果

電子を電離または励起する。

を、初めに計算を行った著者の一人の名前を冠電離によって放出された電子のうち、エネル� �

ギーの高いもの (数 100 eV) のことをデルタ線と呼ぶ。デルタ線はエネルギーが高いため、更に周囲の電子と相互作用し他の原子を電離する。
荷電粒子によって直接電離された場合を一次電
離、デルタ線により間接的に電離された場合を二次電離とよぶ。入射粒子がD線の場合、物質中の電離のうち 60%~70%が二次電離によるものである。電離によって電子軌道上に生じた空孔はより外側の軌道電子の遷移によって緩和され、その際に特性エックス線が放出される。
荷電粒子によって原子が励起された場合に(Bethe) の 式 と い い 、

し て 、 ベ ー テ
�
�

�

�

�

�

�

�

と表す。ここで、z は重い荷電粒子の原子番号、
� は電子の質量、は荷電粒子の速度、 は物質

中の原子数密度、 は物質の平均の原子番号、は原子の平均の励起エネルギー、 は荷電粒子の速度と光速度の比、 � は真空の誘電率である。式は複雑であるが、重要なのは式そのものではな
く、物質や入射する荷電粒子のどのような性質が阻止能に影響を与えるのかが重要である。式
中の重い粒子の電荷と速度に着目すると、
�は、エネルギーを得た軌道電子は原子外に放出��されることなくより外側の軌道に移る。励起状となり、荷電粒子の電荷の 2 乗に比例し、速度の態から通常の状態に戻るときに、光を放出する

2 乗に反比例する。

ことで剰余エネルギーを解消する場合がある。

のエネルギーと質量であり、最後の関係は非相この光を蛍光とよび、放射線シンチレーション

対論的領域で成り立つ。ここで、自然対数の中検出器などに利用される。

に������ � )�

はそれぞれ入射する粒子（ はローレンツ因子）が含まれる事に着目し、阻止能と１－ 11の関係を両対数で

Table 3 電子と物質の相互作用プロットしたものが Fig. 13 である。これは、物質や入射粒子によらない普遍的な関係である。

相互作用対象衝突

放射5.3. 飛程原子核

ラザフォード散乱

制動放射

軌道電子

非弾性散乱

制動放射

重物質中を通過する荷電粒子がエネルギーを失って静止するまでに進んだ距離を飛程 (range)

6.1. 電子・陽電子入射の場合の衝突反応という。阻止能の逆数を静止するまで積分し、଴

重い荷電粒子が物質に入射する場合には、物質中の電子との衝突反応による電離や励起でエா೔೙

ネルギーを失っても荷電粒子の方向は入射方向と求められる。ここで は飛程、 ௜௡ は入射した荷電粒子のエネルギー、から変化しなかった。

は阻止能である。

電子・陽電子が入射粒子である場合の原子核飛程に関しても具体的な表現より比例関係がとのラザフォード散乱は、電子・陽電子が原子重要である。阻止能の非相対論的な比例式であ核と比較しきわめて小さな質量であるため、入ଶ

るを積分することにより、

ଶ

ଶ
௜௡

ଶ

ଶ

ସ

射粒子のエネルギー減少は無視できるほど小さ
く、方向のみを変える。一方、入射粒子と物質
中の電子との反応では、同じ質量をもつ粒子のを得る。

反応のため、エネルギーも方向も変化する。こ5.4. 質量阻止能と質量飛程度までの低いエネルギー領域における電子・陽の衝突によって起こる電離や励起は、10 MeV 程

ベーテの式において、原子数密度と物質の原子番号の積 (
ロ定数 ( ஺) は、物質の密度 ( ) 、アボガドଶଷିଵ) 、質量数 ( ) を電子がエネルギーを失う主要な過程である。
6.2. 電子・陽電子入射の場合の制動放射

は、

電子・陽電子が物質に入射すると、原子核も水素を除いて物質の種類によらずほぼ同じなの

しくは電子と電磁相互作用することで急激な加で、阻止能、飛程を物質の密度で割ると、物質

速を受け、光子を放射する。これを制動放射と

用いて (

஺

) と書くことができる。

の種類にあまりよらない値になる。これを質量いう。制動放射の確率は、物質の原子番号の 2 乗

阻止能、質量飛程と呼ぶ。よく使用される質量に比例し、入射粒子の質量の 2 乗に反比例する。

飛程の単位は、[g/cm2]であり、距離の単位としこのため、電子・陽電子以外の荷電粒子からのて、単位面積あたりの質量を取ったことに相当する。同様に質量阻止能としてよく使用される単位は、[MeV/(g/cm2)] であり、こちらも物質の種類にあまりよらない量となる。

制動放射のエネルギー強度分布は、荷電粒子の受けた加速度の 2 乗をフーリエ変換することによって求めることができる。ここで、電子が物質中で撃力を受け瞬時に停止したとすると、デ

6. 軽い荷電粒子と物質の相互作用

ルタ関数的に無限小の時間、無限大の加速度と電子およびその反粒子である陽電子は電荷を持
つ荷電粒子であるが、陽子やイオンと比較して質量が極端に軽いため原子核や軌道電子との衝突による電離、励起以外に放射によってエネルギーを失う過程が存在する。Table. 3 に、電子と物質が相互作用する際の主な反応を示す。

制動放射は通常無視できる。

なる。この加速度を 2 乗し、フーリエ変換することで得られた制動放射のエネルギー分布は、ゼロから入射電子が持っていたエネルギーまで一定の強度分布となる。制動放射のエネルギー強度分布を光子 1 個のエネルギーで割ることで、光子数のエネルギー分布を得ることができる。光
子 1 個の持つエネルギー ఊ は、光の振動数を 、

１－ 12

プランク定数を として ఊ

なので、物質中で撃力から生じる制動放射の光子数スペクトルは、
ఊ に比例するという有名な関係式が得られる。

6.3. 電子・陽電子入射のその他の放射
電子・陽電子が物質に入射し、物質中の光速よりも早く移動すると、荷電粒子から放出される電 場 を荷電 粒 子が 追い 越 す現 象が 起 きる 。
Fig. 14 右に物質中を荷電粒子が高速で移動する
様子を示す。物質の誘電率を とすると、物質中での光速はとなる。荷電粒子の速度 が光速より 早 いため 、 粒子 から 発 する 電場 の 波頭 がFig. 15 物質中の電磁カスケードの例。
参考文献 [21] 図 5.4 より引用。
より起きる物質中での反応の一例を示す。波線は光子を、下向矢印の実線は電子を、上向矢印の実線は陽電子を表す。時間は上から下に流れているとする。始めに 1 個の光子が物質に入射し、点 A にてコンプトン散乱で電子を放出する。反跳光子は点 B で電子対生成によって電子

Fig. 14 チェレンコフ放射。
参考文献 [22] 図 2.10 より引用。

と陽電子を生成する。電子は点 C で制動放射により光子を放出し、陽電子は点 D で、物質中の方向に放射される光となる。この光をチェレンコ フ (Cherenkov) 光と呼ぶ。 ここ
で、である。粒子の速度が物質中での光速以下の場合には（左）、チェレンコフ光は放射されない。
チェレンコフ光の他にも、物質の誘電率が変化する境界で放射される遷移放射、磁場で荷電粒子が曲げられることで放射されるシンクロト

電子と対消滅して 2 個の光子を放出する。このよ
うに、連続的に反応が起きることをカスケードと呼び、高エネルギーの光子、電子から生ずる多数の光子、電子、陽電子の一群を電磁シャワーと呼ぶ。
電子が物質に入射した際の、放射によって失うエネルギーのみを考え、残りのエネルギーが入射エネルギーの倍になるときの長さを、そるのみとする。

の物質の放射長という。放射長は通常 ଴ と書か

6.4. 電磁カスケードと放射長(g/cm2) などがよく使用される。この長さは、物

ロン放射などがあるが、ここでは名称を紹介すれることが多い。放射長の単位は、長さ (cm)や、質量飛程で使用した単位面積当たりの質量

電子・陽電子が物質に入射し、制動放射により光子を放射すると、その光子はコンプトン散
乱や電子対生成により高いエネルギーの電子や質中での電磁相互作用に基づく特徴を表現するのに便利な量である。Table 4 に例として、加速器でよく使用される物質の放射長を示す。

陽電子を生成する。Fig. 15 に、電磁相互作用に

１－ 13

7. 中性子線と物質の相互作用、核反応

Table 4 放射長の例。参考文献[9]より引用。
物質

放射長 (g/cm2)

グラファイト42.70

中の電子や原子核との電磁相互作用で様々な反

Al

24.01

応が起きることを見てきた。一方、中性子は電

Cu

12.86

荷を持たないため、物質中の電子や原子核と電Pb
乾燥空気（1 気圧）

6.37

磁相互作用しない。低いエネルギー領域にある

36.62

入射 粒 子が正 の 電荷 を持 つ 荷電 粒子 の 場合 に光子や荷電粒子が物質に入射した場合、物質は、正の電荷を持つ原子核との間にクーロン力
荷電粒子と物質の相互作用のまとめとして、による斥力ポテンシャルがあるため、原子核内物質が銅、入射粒子が電子と陽子の場合の質量部に到達することができなかった。一方中性子阻止能を Fig. 16 に示す。点線が陽子の場合の衝の場合、中性子は電荷を持たずクーロン力によ突による質量阻止能を表し、破線は電子によるる斥力ポテンシャルを感じない。そのため、低衝突阻止能と放射阻止能を表す。陽子は電子といエネルギーをもつ中性子でも原子核の中に入比較して質量が 1800 倍大きいため、放射阻止能

り込むことができる。中性子線と物質との相互はここには現れないほど小さい。入射粒子が電作用 に よって 、 中性 子が 原 子核 と反 応 （核 反子の場合、24.8 MeV までは衝突阻止能が放射阻応）をおこす。

止能を上回り、それ以上の領域では放射阻止能

7.1. 断面積と核反応が単調に増加している。このエネルギーを臨界エネルギー (critical energy) と呼び、物質固有の

これまでは、放射線と物質の相互作用の起こ量である。高エネルギーの電子、あるいは光子

りやすさを阻止能や反応の起こる確率として表が物質に入射すると、電磁カスケード反応で多現してきたが、ここで反応断面積について説明

数の電子、陽電子、光子の集まりになる。これする。Fig. 12 のグラフは、光子が物質に入射しらの粒子の平均エネルギーが臨界エネルギーをたと き の反応 確 率と 説明 し てい たが 、 実際 に下回るまでは放射によって電磁シャワーが成長は、1 原子あたりの反応断面積をプロットしていすることでエネルギーを失い、その後は 6.1 節でる。

説明した様に電離や励起でエネルギーを失う。

Fig. 16 入射粒子のエネルギーと銅の質量阻止能。参考文献 [20] 図 2.10 より引用。

Fig. 17１－ 14反応における断面積の概念。参考文
献 [23] Fig. 4.3 より引用。

Fig. 17 に、物質中に粒子 a が入射し、物質中7.2. 核反応の表記の原子や原子核のミクロな粒子 b（図中の黒丸）
で粒子 a が散乱される様子を示す。物質の大きさ
は面積 A、厚さ d であり、物質中の粒子 b の密度を ௕ とする。物質中の粒子 b の総数
௕

となる

௕

௕ は、

入射粒子は物質の前面全体に一様に速度 ௔ で入射し、空間密度は ௔ であるとする。単位時間
あ た りに 物 質 に 入 射 す る a の 粒 子 数
௔

௔

௔

௔ は、

原子核反応を表現するには 2 種類の表記がよく用いられる。入射粒子、放出粒子を a, b、標的となる原子核、反応後の原子核を A, B とすると、と表記する。どちらも原子核 A に粒子 a が入射し、粒子 b を放出して原子核が B に変化することを表している7.3. 中性子と物質の相互作用であり、単位時間、単位面積あたりの入射粒子 aの数（フラックス）をୟ௔ と定義する。

௔

入射方向から見て粒子 b が重ならない程度に物質

中性子と物質の反応機構は、中性子の持つエネルギーにより異なる。中性子は、持つエネル
ギーによって次のように分類されることが多いが薄いとすると、単位時間における反応数 は、
ୟ

௕

௔

௕

௕

Table 5 中性子のエネルギーと分類。
௕ǡと表すことができる。ここで ௕ は粒子 b 一個あたりについて反応を起こす確率であり、面積の次元を持ち断面積と呼ばれる。入射粒子がある方向に一様に入射している場に小さな物質があったときの単位時間あたりの反応数は、フラック

中性子の名称

エネルギー領域

冷中性子< 0.025 eV

熱中性子~ 0.025 eV (~300 K)

熱外中性子

0.1 eV ~ 1 keV 程度

速中性子> 0.1 MeVス、標的数と断面積の積で求められる。粒子 a の入射範囲が十分物質の大きさに収まり、物質の厚さが均一な場合においては、単位時間あたりに入射する粒子数に単位面積あたりの標的数と断面積をかけることによって、単位時間あたりの反応数を計算することができる。
核力が関与する核反応のおおよその大きさを考える。3.4 節において、原子核の半径 は、
ିଵହ

ଵȀଷ

m と求められることを述べた。入射粒子が原子核の半径内を通過すると必ず反応が起きる状況を考えると、入射粒子から見た原子核の大きさはଶである。原子核の質

量数は 200 程度までなので、原子核の大きさはお
およそ

ିଶ଼

ଶ

程度となる。そこで反応断面積の単位として、
用する。

ିଶ଼

ଶ

（バーン）を使

熱中性子は室温と同程度のエネルギーを持つ
中性子で、標的となる原子核の近傍にとどまる
時間が長い。このような場合、中性子が直接原子核に入射しなくても原子核に吸い寄せられ反応が起こるため、断面積が大きくなる傾向が見られる。原子核が中性子を捕まえて起こる反応
なので、中性子捕獲反応と呼ばれる。標的となる原子核は、中性子を捕獲することで質量数が 1だけ増加した原子核になる。中性子捕獲反応によって生成する原子核は大抵の場合励起状態にあり、剰余エネルギーを緩和するために、ガンマ線やD粒子を放出する。天然カドミウム中に~12% 含まれる Cd-113（半減期ଵହ年）の中性子捕獲断面積は~20000 [b] と極めて大きい。この際、中性子を捕獲した後の剰余エネル
ギーはJ線として放出される。この反応は、放射捕獲反応 (Radiative capture) と呼ばれ、(n,J) と表記する。この様にカドミウムは、熱中性子を

１－ 15

Fig. 18

代表的な核に対する中性子捕獲反応の断面積。参考文献 [24] より引用。

吸収する単面積が非常に大きいため、中性子の持つ非対称分布となる。使用済核燃料の処理に遮へい材として使用される。

ついて議論する際に、Sr-90、Cs-137 等が問題に

天然ボロン中に~20%含まれる B-10 の (n,D) 中
性子捕獲断面積は 3837 [b] と大きいため、中性子検出器に用いられる。他にも、He-3、Li-6 も熱中性子に対して大きな中性子捕獲断面積を持なるのは両者が比較的長寿命である事と、生成量が多いためである。

8. 中性子以外の粒子の核反応

つため、中性子検出器に応用される。Fig. 18 に入射粒子が中性子以外の粒子の核反応につい

熱中性子捕獲反応を利用して遮へい材や検出器ても簡単にまとめる。中性子以外が入射粒子のに応用されている代表的な核種に対する、中性

場合においても、入射粒子のもつエネルギーが子捕 獲 反応の 断 面積 を示 す 。全 体的 な 断面 積

反応のしきい値を超えると様々な核反応が起こ則）ため、りうる。Table 6 に、比較的低いエネルギー領域

低いエネルギー領域で断面積が大きいことがわ

における様々な核反応について、標的核と娘核かる。中性子捕獲反応の断面積は、アイソトーを比較したときの質量数 ('A) と原子番号 ('Z) のは、中性子の速度に反比例する（プ手帳[25]などにまとめられている。
熱中性子捕獲反応で特筆すべきは、U-235 を標的とした反応の応用である。熱中性子を吸収した U-235 は、2 つの原子核に分裂するとともに、増減をまとめた。
4.5 節 Fig. 12 において、 ୥ǤୢǤ୰ について光子が原子核に入射した際に起きる原子核反応の確率を 表 す と 説 明 し た 。 GDR は 巨 大 双 極 子 共 鳴

平均 2.5 個程度の中性子を放出する。核分裂反応(Giant Dipole Resonance) のことを表し、光子がの際に放出されるエネルギーは原子力による発原子核に吸収され、巨大双極子共鳴を励起する

電等に利用される。また、放出された中性子を

断面積を表していた。この様に、入射粒子によ減速して熱中性子とすることで、次の核分裂反って原子核がエネルギーを得て、その後安定な応を起こす。U-235 からの核分裂生成物の質量数状態に遷移していくのが核反応である。Fig. 19

分布は、標的核の半分の質量数である 115 付近にピークを持たず、90 付近と 140 付近にピークをに模式化した原子核の励起状態と反応断面積を示す。縦軸が原子核の励起エネルギー、右半分

１－ 16

Table 6 核反応による原子番号、質量数の増減。参考文献 [26] 表 4.1 より引用、一部改変
'A
'Z

-3

-2

-1

0

+1

+2

+3

(D,4n)(D,3n)(D,2n)

(D,n)

(p,n)

(p,J)

(D,pn)(D,p)(d,2n)（JS）

(d,n)

(J,n)

標的核

(n,J)

(n,2n)(JJ), (p,p),(n,n)等

(d,p)

(J,p)

(n,p)
（JS）+2(p,3n)(p,2n)

+1

0
-1
-2

(p,D)

(d,D)

(n,D)

が何らかの反応によって、その励起状態を励起

比較的励起エネルギーの低い状態においてする断面積を書いたものである。核反応の種類

は、原子核の殻構造に起因する束縛状態が散見

は特に特定してないため、あくまで模式的なもされる。それより高いエネルギーになると、陽のである。一番下の状態が、エネルギーが最も子や中性子、重陽子やD粒子等の粒子放出のしき

低い基底状態 (Ground state) を表す。

い値以上になるため束縛状態は存在せず、存在する構造は共鳴状態もしくは、反応の運動学的特徴を反映した構造になる。
励起エネルギーが 10 数 MeV 付近には、幅が広く励起断面積の大きい共鳴状態が見られる。
この共鳴は、原子核全体が励起される励起状態であり、その断面積は低エネルギー核反応の中でかなりの割合を占めるため、巨大共鳴と呼ばれる。その後励起エネルギーを原子核中の核子で分け合い、原子核から放出されることで崩壊する。
励起エネルギーが、数 100 MeV になってくると、局所的に反応が起きる場合には核子の励起状態（核子共鳴）を生成し、パイ中間子等を放出する反応が起こってくる。光が入射して起こる光核反応の場合には、核子共鳴の励起とその崩壊は主な反応過程である。入射粒子が核子など強い相互作用に感度がある粒子の場合には、核内核子と多数回の衝突を繰り返し多数の核子

Fig. 19 原子核の励起状態と反応断面積の模式図。参考文献 [27] Fig. 5.34 より引用。

を放出するカスケード反応が起きる。カスケー
ド反応後の熱平衡に達した励起状態の原子核か

１－ 17

らは、核子や軽い原子核が蒸発するように放出される。この一連の反応を核破砕反応(spallation) という。鉛の標的に、1 GeV の陽子が入ってくる場合を考えてみよう。鉛は、82 個の陽子と 125 個前後の中性子から構成される。陽子が 入 射し、 熱 平衡 に達 す る前 に核 子 を放 出し、熱平衡に達してからも核子や軽核を放出して行く過程において、平均 25 個程度の中性子を放出する。高いエネルギー領域の光核反応で生成した核子共鳴の崩壊から生じる高いエネルギ
ーを持つ核子も核内カスケードへのトリガーとなる。
以上の様に発生した、S中間子や K 中間子、中[12] Richard B. Firestone et al., Table of Isotopes 8thedition (1996) Wiley-Interscience[13] 鷲見義雄、「原子核物理入門」(1997) 裳華房[14] 日本アイソトープ協会編集、「やさしい放射線とアイソトープ 5 版」 (2014) 丸善出版
[15] IAEA Nuclear Data Section, IAEA Live Chart of
Nuclides (https://wwwnds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html)[16] 竹田敏一、「図解雑学社

原子力」(2002) ナツメ[17] 八木浩輔、「原子核物理学」(1971) 朝倉書店、
2022 年に新装版が刊行されており、底本も新装版も入手可能である。
[18] 中村尚司、「放射線物理と加速器安全の工学［第 2 版］」(2001) 地人書館

性子は、二次ビームとして実験に使用されてい[19] 野中到、「核物理学」 (1956) 培風館

る。

[20] William R. Leo “Techniques for Nuclear and Particle
Physics Experiments 2nd edition” (1994) Springer[21] Chary Rangacharyulu 著、遠藤暁・和田義親共訳、「放射線物理学」(2022) 森北出版

参考文献[1] 原子力基本法（昭和三十年法律第百八十六号）
第三条[2] 核燃料物質、核原料物質、原子炉及び放射線の定義に関する政令（昭和三十二年政令第三百二十五号）第四条[3] 放射性同位元素等の規制に関する法律（昭和三十二年法律第百六十七号）第二条[4] 放射性同位元素等の規制に関する法律施行令（昭和三十五年政令第二百五十九号）第二条[5] 放射線を放出する同位元素の数量等を定める件（平成十二年十月二十三日科学技術庁告示第五号）第二条[6] 荷電粒子を加速することにより放射線を発生させる装置として指定する件（昭和三十九年四月
九日 科学技術庁告示第四号）[22] Stefaan Tavernier “Experimental Techniques in
Nuclear and Particle Physics” (2009, correctedpublication 2022) Springer[23] Bogdan Povh et. al. “Particles and Nuclei 7th ed.”(2015) Springer[24] 波戸芳仁、総合研究大学院大学加速器科学コー
ス、放射線物理学講義資料[25] 日本アイソトープ協会、「アイソトープ手帳 12版」(2020) 丸善出版
[26] 柴田徳思編、「放射線概論第 13 版」(2021) 通商
産業研究社[27] Ernest M. Henley, Alejandro Garcia “Subatomic
Physics 3rd ed.” (2007) World Scientific[7] 医療法（昭和二十三年法律第二百五号）、医療法施行規則（昭和二十三年厚生省令第五十号）
第三十条など[8] 永江知史、永宮正治著、「裳華房テキストシリーズ-物理学 原子核物理学」、(2000) 裳華房[9] R.L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog.
Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023
update, The Review of Particle Physics[10] 環境省「放射線による健康影響等に関する統一的な基礎資料 令和４年度版」
https://www.env.go.jp/chemi/rhm/basic_data.html[11] ひっぐすたん、http://www.higgstan.com/

１－ 18