Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

学習目標

1. 第3章「原子、分子、イオン」で、原子は素粒子である陽子、中性子、電子で構成されていることを学びました。 陽子と中性子は原子核にあり、原子の質量の大部分を占め、電子は原子核を殻や副殻で囲み、原子の大きさを決定します。

また、第3章「原子、分子、イオン」で、特定の原子の同位体を簡潔に表現する表記法を紹介しました。 原子番号の6は記号の隣の添え字で、原子に含まれる陽子の数です。 記号の横の上付き文字である質量数は、この特定の同位体の原子核にある陽子と中性子の数の和である。 この場合、質量数は12であり、原子の中性子の数は12 – 6 = 6となる（つまり、原子の質量数から原子核の陽子の数を引いたものがニューロンの数に等しい）。 元素の記号そのものが特徴的な原子番号を伝えるため、この表記では原子番号が省略されることがある。 水素の同位体である2Hと3Hには、それぞれ重水素（D）、三重水素（T）という名前と記号が与えられている

19世紀の原子論では、原子核は一定の組成を持つと仮定されていた。 しかし1896年、フランスの科学者アンリ・ベクレルが、ウラン化合物を写真皿に近づけると、黒い布に包まれていても写真皿に像が写ることを発見した。 これは、ウラン化合物から出る放射線が布を透過して写真皿に写ったのだと考えた。 そして、その放射線は粒子と電磁波の組み合わせであり、その最終的な発生源は原子核であることを突き止めた。 4388>

放射性物質の放出には、主に3つの形態があります。 一つはアルファ粒子と呼ばれるもので、ギリシャ文字のαで象徴される。 アルファ粒子は2個の陽子と2個の中性子からなり、ヘリウム原子核と同じである。 (電荷は2+である。 放射性原子がアルファ粒子を放出すると、元の原子の原子番号が2つ減り（陽子2つが失われたため）、質量数が4つ減ります（核粒子4つが失われたため）。 例えば、ウラン235のアルファ粒子の放出は次のように表されます。

92235U → 24He+90231Th

この式を化学方程式と呼ぶのではなく、原子核の中で変化することを強調するために核方程式と呼んでいます。 この反応の生成物が90231Thであることはなぜわかるのでしょうか。 物質は生成も破壊もできないという物質保存の法則を利用します。 つまり、原子核の方程式の両側で陽子と中性子の数が同じでなければならないのです。 ウランの原子核から陽子が2個失われると、陽子は90個になり、トリウムという元素になります。 さらに、元の235の核粒子を4個失うと、231が残ります。 4388>

化学者は、元の原子とアルファ粒子以外の生成物を表すのに、親同位体や娘同位体という名前をよく使います。 先ほどの例では、92235U

が親同位体、90231Thが娘同位体ということになります。 このようにある元素が別の元素に変化することを放射性崩壊といいます。

放射性放出の第二の主要タイプは、ギリシャ文字のβで象徴されるベータ粒子と呼ばれます。 ベータ粒子は原子核から（原子核の周りの電子殻からではなく）放出された電子で1-電荷を持っています。 また、β粒子は-10eと表すこともできる。 原子核にベータ粒子が放出されると、中性子が陽子に変換されます。 全体の質量数は変わりませんが、陽子の数が1つ増えるので、原子番号が1つ上がります。 炭素14はベータ線を出して崩壊します。

614C → 714N +-10e

この場合も、原子番号の和は質量数の和と同じで、式の両辺に同じものがあります。 (電子は電荷と等しい-1の「原子番号」を割り当てられることに注意してください。)

放射性放出の3番目の主要なタイプは粒子ではなく、ガンマ線という非常にエネルギーの高い電磁放射で、ギリシャ文字のγで表されます。 ガンマ線自体は全体の電荷を持っていませんが、物質のサンプル中の原子から電子を取り出して電荷にする場合があります（このためにガンマ線は電離放射線と呼ばれています)。 例えば、ラドン222の放射性崩壊では、アルファ線とガンマ線の両方が放出され、後者は崩壊した原子核1個当たり8.2×10-14 Jのエネルギーを持っています：

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

これは大したエネルギーではないように見えますが、もしRn原子1molが崩壊するとガンマ線エネルギーは4.0Jとなります。9 × 107 kJ！

α、β、γ放出は物質を透過する能力がそれぞれ異なります。 比較的大きなアルファ粒子は物質によって簡単に止められます（ただし、接触した物質にはかなりのエネルギーを与える可能性があります）。 ベータ線は数センチ程度にしか透過しません。 ガンマ線は物質の奥深くまで浸透し、周囲の物質に大きなエネルギーを与えることができる。 表15.1「放射性物質の放出する3つの主な形態」に、3つの主な種類の放射性物質の性質をまとめてみました。

時々あります。 は、自然核分裂（または核分裂）と呼ばれる放射性プロセスで原子核がより小さな断片に分解されます。 通常、核分裂によって生成される娘核種は、アルファ粒子放出やベータ粒子放出のように特定の同位体ではなく、様々な生成物の混合物である。 しばしば、核分裂は過剰な中性子を発生させ、それは時に他の原子核に捕獲され、場合によってはさらなる放射性事象を誘発する。 ウラン235はわずかながら自発核分裂を起こします。 典型的な反応としては

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

ここで01nは中性子である。 どの核過程でもそうですが、原子番号と質量数の和は式の両側で同じでなければなりません。 自発核分裂は大きな原子核にのみ見られる。 自発核分裂を起こす最小の原子核は鉛208である。 (核分裂は原子力発電所や一種の核爆弾で使われる放射性プロセスです。)