【ウラン235】の半減期について

質問

（僕は化学の教養は低いです）

例としてウラン235の半減期の問題を考えてみます。
ウラン235の半減期は約7億年、ウラン238の半減期は約45億年
ということですが、これはウランが安定性の高い原子ということを
意味しているのでしょうか。
また、原子数が減る際、放射能を放っているのでしょか。

（僕の用語の間違いについても教えてください）

よろしくお願いします。

http://www.s-yamaga.jp/kankyo/kankyo-genpatsu-2.htm

回答No.12

First_Noel

＃１１さまの御回答に触発されまして，またまた失礼致します．
直接の回答ではなくてすみません．

地球内部は高温ですが，この高温の維持には熱の発生が必要で，
原因は幾つかありますが，ひとつには放射性同位体の壊変により発生する熱も一因です．

自然放射線量は年間１ミリシーベルト程度です．
これは宇宙から来る宇宙線，大地の放射性同位体，食物で摂取される炭素１４等の
放射性同位体，から被曝するものです．
勿論，これで健康を害することは無いと思います．（と言うか，防ぎようがない．）
ラドン温泉に有り難がって入ることもありますし，多少の放射線被曝は皮膚や体内の
殺菌になっていて有益だと言う説もあります，ウランなど不安定な核種の存在することは，
実は生命にも有益，又はもしかしたら不安定な核種があるからこそ生命が誕生した，など，
ご質問の内容は様々な面白い議論を醸し出す興味深いものです．

蛇足的なものになてしまってすみませんでした．．

回答No.11

hot-tea

＃３です。
地球の99.5%は11の元素でできていて、46%が酸素、27%がケイ素、8%がアルミニウム、5%が鉄、あとはカルシウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、チタン、水素、リンなどです。これらは１００％安定した元素です。残りも同様に安定してます。
ウランは１０の１４乗トンあるようですが、地球からみれば０．００００００１％以下です。天然の放射能の心配も、地球崩壊の心配もいりません。

回答No.10

uhyohyohyo

何度も申し訳ありません。直前の回答「もっと長いもの」は
> 数秒から数年というのがほとんどですから...
というところに対してです。

何か、書いてるうちに反省点から自信なしになってきました^^;

回答No.9

uhyohyohyo

> U-235やU-238より半減期の長いものが、それより短いものより沢山あるわけ> ではないですよね....確認のため...比較的安定なほうと言ったのはそうい> う意味なので...もし、違うのならば、私も知識の修正が必要なので...
おっと、Largo_spさん、私の書き方のせいでご心配をおかけしたようで申し訳ありません。はい、確かにU-235やU-238よりも半減期の長い核種は早々ありませんので「比較的」というところは何も問題ないと思いました。ですが、実生活や原子力関係、核廃棄物、医療用、他様々な工学的に用いられている重要核種はたいていがもっと長いものであるのでその意味で指摘させていただきました。私も実際にいくつ核種があると数えたわけではないのですが。

で、otafukutigerさんの質問に対する回答もやたら冗長になりすぎたなと反省しております。余計な事を書きすぎました。もっとポイントを抑えて簡潔に書くべきでしたね、すいません。

回答No.8

Largo_sp

専門家の方々が、お話していただいてるので、私の出る幕ではないですね（笑）
補足も#6さんの話で充分ですね...
ただ...

>235、U-238のように地球の寿命に比してコンパラなものもあれば、数msのうちに崩壊し廃棄物などとは無縁なもの、医療用のトレーサ核種のように数日のもの、Pu-239のように数万年程度のもの、宇宙の年齢よりも圧倒的な桁違いではるかに長いものだって存在します。

U-235やU-238より半減期の長いものが、それより短いものより沢山あるわけではないですよね....確認のため...比較的安定なほうと言ったのはそういう意味
なので...もし、違うのならば、私も知識の修正が必要なので...

回答No.7

First_Noel

＞α線は陽子２個と中性子２個、β線は電子ということですが、
＞これを線というからには継続的に放出されるのでしょうか。
＞それとも理論的には線状になるから、ということでしょうか。

１個の原子ですと，放出は１度きりですが，普通は原子は沢山沢山ありますから，
ピッ，ピッ，ピッ，と出ますので，継続的と言えるでしょう．
半減期とは沢山の原子がある状態を統計的に考えた場合のものですから，
半減期が訪れなくても原子集団の至るところで崩壊は起こっていますので．

「線」と言う表現は，粒子を波束と考えたからなのか，或いはまだ原子物理が
熟していないときに単に「何かが出ている」と考えられて取り合えず「線」と
呼ぶようになったのか，又は他の要因からか，歴史については分からないです．

お礼

回答ありがとうございました。

でも、放出される陽子・中性子や電子のベクトルは一定では
ありませんよね。
なんだか、線と考えると勘違いしそうです。

回答No.6

uhyohyohyo

まず用語についてですが、「原子数」ではなく「質量数」という言葉を用い、これが235とか238に当たります。「原子数」は単に原子の個数を指し、物質量(mole)で置き換えられますよね。確かに原子核が崩壊すれば核の電荷の変化に伴って原子の種類が変化するので原子数も変化すると考えられますがこの言い方は一般的ではないし正確ではありません。

U-235とU-238では、崩壊定数(半減期)が違うという意味では確かに後者がより安定であると言えましょう。ですが、#3の方がおっしゃるように放射能をもつ「元素」はすべて不安定核です。ある時刻にそれぞれ同数の原子核がそこに存在した場合、半減期に対して十分に短い時間内では前者が45/7倍の放射線を放ちます。

> また、原子数が減る際、放射能を放っているのでしょか。
よって、「質量数」が減る際には(α崩壊、自発核分裂)α線若しくは核分裂片なる「放射線」を放ちます。

> 原子が崩壊するということは、その中性子や電子、陽子などが
> 質量保存の法則により、アルファ線、ベータ線、ガンマ線
> というエネルギーに変質することを意味しているのでしょうか？
α崩壊は陽子数2、中性子数2のクラスター(α粒子が)核のポテンシャルをトンネル効果で越えて外に出て行く現象です。

β崩壊には3種類の過程が存在しています。
β－崩壊では核内中性子の一つが電子を放出して崩壊して陽子になり、同時に反ニュートリノという粒子を放出します。β＋崩壊では核内陽子が陽電子を放出して崩壊して中性子になり、同時にニュートリノという粒子を放出しています。また軌道電子捕獲(EC:Electron Capture)という現象があり、これは軌道電子を核が捕らえて陽子が中性子になり、同時にニュートリノを放出します。すなわち原子核の変換としてはβ＋崩壊と同じ事象でありこれらは互いに競合過程です。β＋崩壊が起きているところでは必ずECも存在していますが、β＋崩壊のほうは2つの変換核種間のエネルギー的な制約が強くECはβ＋の十分条件ではありません。

ここで、厳密な意味での質量保存は成立しています。各崩壊のときは反応のQ値と呼ばれる反応のエネルギーを以って崩壊します。そして原子核の反跳を考え、エネルギーと運動量保存によって規定される運動エネルギーを持ってα線は飛び出します。ただしβ崩壊は3体崩壊のために線スペクトルとならず連続スペクトルとなります。α崩壊やβ崩壊では他の原子核に変換するとともに、行き着く先の原子核の基底状態という多くの場合最も安定な状態のみならず、励起状態という不安定な準位に遷移します。

(原子核はその中性子数と陽子数で決定される核種によって個性あるエネルギー構造、離散的な特定のエネルギー状態しかとれない構造、を持っていますが、この一つ一つの状態をエネルギー準位と言います。最低の準位を基底準位、そして低いほうから順番に第1励起準位、第2励起準位・・・と言っています)

E=mc^2と言うエネルギーと質量は等価であると言うことを示す式がありますが、励起状態というのは基底状態よりもエネルギーが多く、この式によって決定される分だけ質量が多い状態です。殆どの場合この励起状態は短寿命であり数psのうちに崩壊(γ崩壊or脱励起)してその余分なエネルギーをγ線(光子)という形で放出します。ですがそんな励起準位にも寿命が長い状態もあり、これはアイソマー(核異性体)と呼ばれています。

で、ちょっと誤解を生じる部分、間違いを指摘させていただきますと、
> ウラン235、238は放射性元素の中では、比較的安定な方だとはいえます。
> 数秒から数年というのがほとんどですから...
横軸を中性子数、縦軸を陽子数にとったSegre Chartという原子核の「地図」があります。
http://wwwndc.tokai.jaeri.go.jp/CN01/index.html
原子核は中性子数と陽子数によって規定され、ふつう核力の理論では陽子と中性子はアイソスピン状態が違うだけの同種粒子として扱いますが、Z(陽子数)が大きくなると実際には陽子のクーロン相互作用が効いてきてその分核力のみを持つ中性子数を多く必要とします。従ってこの地図上ではx=y上からだんだん中性子過剰な方向に安定線が傾いてきます。で、この安定線の周りから遠ざかるほど核は不安定になり半減期は劇的に変化します。U-235、U-238のように地球の寿命に比してコンパラなものもあれば、数msのうちに崩壊し廃棄物などとは無縁なもの、医療用のトレーサ核種のように数日のもの、Pu-239のように数万年程度のもの、宇宙の年齢よりも圧倒的な桁違いではるかに長いものだって存在します。

> 原子数が減る場合、放射性元素はα崩壊しています。
「原子数」ではなく「質量数」に読み替えればほぼ正しいです。

> α線は、ヘリウム原子核ですので、原子数は２減ります。
> 原子数が増える場合、β崩壊しています
> β線は、中性子から出た電子ですので、原子数は１増えます。
「原子数」ではなく「陽子数」あるいは「原子番号」です。

> どちらの崩壊もγ線でます。γ線は電磁波です。
上に述べた事により、崩壊に伴って必ずしもγ線を伴うとは限りません。直接基底状態に遷移するものもあります。

> 全体の質量は核分裂ほど減らないので、化学反応程度のエネルギー
> だったと思います。
化学反応のエネルギーとは比較になりません。原子核崩壊でのγ線スペクトルは多くが数10keV～数MeVのエネルギーを持っています。これは化学反応では電子(静止質量511keV)が寄与しているのに対して核ではその1836倍の質量を持つ核子がエネルギー状態に関与しているためです。水素の第1イオン化エネルギー(13.6eV)と比較してもずっと大きいですよね。

> ウランは２３２、２３４、２３５、２３６、２３７、２３８、２３９あり、すべて放射性元素だから半減期後、半分に減ります。
Segre Chartを見ていただくと分かるように、掲げられた核種だけでなく、そのほかも多くが存在しています。そしてこの地図は今も拡大されています。

で、弱い相互作用については私は詳しくないのでどなたかにお任せするとします。

回答No.5

First_Noel

＞原子が崩壊するということは、その中性子や電子、陽子などが
＞質量保存の法則により、アルファ線、ベータ線、ガンマ線
＞というエネルギーに変質することを意味しているのでしょうか？

α線は，ヘリウム原子核と同じです，陽子２個と中性子２個です．
α崩壊で出ます．
β線は電子なので，β崩壊により中性子が陽子に変わる際，放出されます．
（β崩壊には逆に電子を吸収して陽子が中性子になる場合もあるそうです．）

α崩壊やβ崩壊が起こった後，大抵は原子はエネルギーの高い状態になっていますので，
γ線を放出して安定になろうとします．

「弱い相互作用」は，陽子や中性子が互いに入れ替わるときに作用しているのですが，
詳細は私はわかりません，すみません．

お礼

回答ありがとうございました。

物理学素人の僕も弱い相互作用の説明を依然読んだことがあるのですが、
忘れてしまいました。

α線は陽子２個と中性子２個、β線は電子ということですが、
これを線というからには継続的に放出されるのでしょうか。
それとも理論的には線状になるから、ということでしょうか。

回答No.4

noname#136764

1.ウランは安定性の高い原子か
放射性元素はすべて不安定です。不安定だから壊変します。
特定の１個についていえば、いつ壊変するか判りません。ただ、ある時間のうちに壊変する確率（壊変定数といいます）は一定なので、よく半減期すなわち「半分になる時間」を目安として使います。

2.原子数が減るさい、放射能を放っているか
235とか238は質量数といいます。
放射能とは「放射線を放出する能力」のことです。
「この元素は放射能をもっている」という使い方が正しいです。放射能をもつ元素は放射性元素、その元素を含む物質は放射性物質。

で、放射性壊変にはいろいろなパターンがありますが、ウランの場合はα線を放出します。つまり陽子２個と中性子２個からなるα粒子がウランの原子核から高速で飛び出して行き、したがって質量数が４減り、原子番号（＝原子核の陽子の数）は２小さくなります。

ウラン238の壊変系列は参考URLをどうぞ。

参考URL：

http://www.gogp.co.jp/chemical/genso/seishitsu/U%20series.html

お礼

回答ありがとうございました。

放射能とは原子核から高速で飛び出したα粒子のことなのでしょうか？

とてもわかりやすい解説、ありがとうございました。

回答No.3

hot-tea

天然で存在するのはナトリウム２３で、安定しています。
ナトリウム２２とナトリウム２４は放射性元素でほとんど天然では存在せず、存在すれば２２は２．６年で２４は１５時間でβ崩壊らしいので半数がマグネシウムになるらしい。

ウランは２３２、２３４、２３５、２３６、２３７、２３８、２３９あり、すべて放射性元素だから半減期後、半分に減ります。
ウランは９９．３％が２３８、０．７％が２３５、０．００５％が２３４天然で存在し、α崩壊して２減ってトリウムになります。ウランはα崩壊を８回、β崩壊を６回して最後は安定した鉛になります。
半減期が長くても、崩壊するかぎり安定ではなく、ほとんどが自然では崩壊しない元素でできています。

お礼

回答ありがとうございます。

原子数が減ると、物質の性質が変わるんですね（科学素人です、ううう）。

ほとんどが自然では崩壊しない元素でできている。
というところですが、ウランは天然でも存在するが、鉛のような
安定した元素のほうが自然界には多く存在するということでしょうか。

できれば追加で回答よろしくお願いします。