原子核の働き
一部の原子核は不安定であり、ランダムに放射線を出し、半減期によって崩壊し、原子炉や恒星では分裂または融合によってエネルギーを放出する。このセクションでは、原子記号、透過能を持つ3種類のイオン化放射線、半減期の計算、核分裂連鎖反応、そしてなぜ融合が恒星を輝かせるもののOur power stations（発電所）では用いられないかについて扱う。
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 7 （記述 7.1–7.26）。単位：ベクレル（Bq）、時間は秒(s)、分(min)、時(h)を用いる。
放射能
原子は陽子と中性子を原子核に保持しており、記号 $^{A}_{Z}X$ は 質量数（核子数） A と 原子番号（陽子数） Z を示す。同位体はZが同じだが中性子の数が異なる。
不安定な原子核はランダムに以下を放出する：アルファ線 α（ヘリウム原子核、$^4_2$He）、ベータマイナス線 β⁻（電子、中性子が陽子に変換される際に生成）、および ガンマ線 γ（高エネルギー電磁波、粒子なし）。釣り合わせには 質量数と電荷がともに保存される。
**計算例確認。**炭素-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — Aは14のまま；電荷6 = 7 + (−1) ✓。ラドン: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$。
| 放射線 | 性質 | イオン化能力 | 空気中の到達距離 |
|---|---|---|---|
| アルファ | 2p + 2n | 最も強い | 数cm |
| ベータ | 高速電子 | 中程度 | 数十cm |
| ガンマ | 電磁波 | 最も弱い | 数m |
検出：写真フィルム（バッジ）またはゲイガー＝ミュラー管。背景放射能は、岩石や宇宙線（宇宙）、食品、医療用途、降下物から来る。
活動度（ベクレール単位；1 Bq = 1 崩壊/秒）は一定に減少する：半減期とは、未崩壊核の半分が崩壊するまでの時間を指す。計算例。800 Bq で半減期が6 時間の場合：24 時間後（4 半減期分）、活動度は$= 800/2^4 = 50$ Bqとなる。
用途：医療用トレーサー（短半減期、ガンマ線）、がん治療、殺菌、厚み制御（紙を透過するベータ線）。汚染（放射性物質が体についている状態 — 除去が必要）と、被曝（放射線にさらされること — 源が去れば終了する）は異なる。危険性：DNAの変異、細胞および組織の損傷；長半減期を持つ放射性廃棄物は安全に保管されなければならない。
分裂と融合
大きな原子核を分裂させるか、小さな原子核同士を結合させる — どちらもエネルギーを放出し、それぞれ異なる機械の動力源となっている。
分裂：中性子がU-235に衝突して分裂し、2つの放射性娘核、2〜3個の中性子、そして運動エネルギーを生む — もしこれらの中性子が他のU-235に衝突すれば、連鎖反応が続く。減速材は中性子を減速させて核を効率的に分裂させ、制御棒は中性子を吸収して反応速度を一定に保ち、遮蔽材は作業者を守る。融合は小さな原子核を結合させてより大きなものにし、質量をエネルギーに変換する — それは太陽のエネルギー源である。融合には極めて高い温度と圧力が必要である。なぜなら、正電荷を持つ陽子は静電気的に反発し合うためであり、核同士がその反発力を打ち破って衝突するには十分な速度が必要だからだ。
自己チェック
- $^{19}_{9}F$ において、中性原子における陽子数、中性子数、電子数を答えよ。
- 3種類の電離放射線とその性質を答えよ。
- $^{226}_{88}Ra$ のアルファ崩壊の完全な方程式を書け。
- 紙で遮断される放射線と、アルミ箔を透過する放射線はそれぞれ何か。
- 背景放射能の2つの起源を挙げよ。
- 半減期の定義を述べよ。
- 活動度が3200 Bq の源があり、半減期が8 日である。32 日後の活動度を求めよ。
- 汚染と被曝の違いを述べよ。
- 炉内における減速材、制御棒、遮蔽材の役割を答えよ。
- なぜ融合には非常に高い温度が必要なのか。
解答：1 9 個の陽子、10 個の中性子、9 個の電子；2 アルファ — ヘリウム核（2p+2n）；ベータマイナス — 高速電子；ガンマ — 高エネルギー電磁波；3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$；4 アルファは紙で遮断される；ガンマはアルミを透過する（厚い鉛が必要）；5 任意2つ：岩石／建築資材、宇宙線、食品・飲料、医療、ラドンガス、核降下物；6 未崩壊核（または活動度）の半分が崩壊するまでの時間；7 32 日は4 半減期に相当するため、活動度は$3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq；8 汚染 — 放射性物質が体に付着しており、除去されるまで危険が継続する；被曝 — 源からの放射線にさらされることであり、源が去れば終了する；9 減速材は中性子を減速させて効率的な分裂を促す；制御棒は中性子を吸収して反応速度を制御する；遮蔽材は漏れる放射線を吸収して作業者を守る；10 2つの核の正電荷を持つ陽子は静電気的に反発するため、核同士が十分近接して融合するには極めて高速での衝突が必要であり、それは高温かつ高圧の環境でのみ達成される。