FC2ブログ

原子、原子核のエネルギー準位

ブログをご覧の皆さん、こんばんは。

コメントでエネルギー準位に関するご質問をいただいたので、今日は試験前に覚えておきたい重要事項について書いてみたいと思います。

・原子のエネルギー準位間の遷移
・原子核のエネルギー準位間の遷移

なかなか難しい質問かと思いますが、ここでは放射線取扱主任者試験で知っておきたいことに限定して記載します。

原子模型などで表されるように電子は特定の離散的(不連続でとびとび)なエネルギー状態(軌道)を運動しています。エネルギーの低い安定な状態を基底状態といいます。その状態から高いエネルギーに移った状態(不安定な状態)を励起状態といいます。この固有のそれぞれのエネルギー(軌道が持つエネルギー)をエネルギー準位といいます。

原子のエネルギー準位間の遷移は、原子核の周りを回っている電子が外部からエネルギー得て異なるエネルギーの状態に励起したり、またエネルギーを放出したりすることによって基底状態に戻ったりといったエネルギー準位間での電子の移動と考えればよいのではないでしょうか。
特性X線は、軌道電子がエネルギーを得て放出された状態(励起状態)にある原子がX線を放出して基底状態に戻るときに、その放出したX線を指しています。
オージェ電子は、励起状態の原子が特性X線を放出せずに外側の軌道電子を放出して基底状態に戻るときに、その放出した電子を指しています。
すなわち、特性X線もオージェ電子も原子のエネルギー準位間の遷移によって引き起こされる現象です。

一方、原子核のエネルギー準位間の遷移は、原子核の周りを回っている電子が励起している状態ではなく、原子核内にある核子(陽子と中性子)がエネルギーの低い安定な状態から何らかのエネルギーをもらうことで不安定な状態(励起状態)になったときの状態を指しています。
原子核の多くは、このエネルギーの高い状態は不安定なため励起状態でいることができずピコ秒程度でγ線を放出してエネルギーの低い安定な状態である基底状態に戻ります。しかし、この原子核の励起状態(不安定な状態)が比較的安定ですぐには基底状態に転移しないものもあります。この状態を核異性体(IT)といいます。セシウム137(137Cs)は主任者試験で最もよく出題される核異性体の代表です。
137Csがγ線源(662keV)としてよく知られていること、137mBaの内部転換に伴うBaのKα線(32.2keV)はβ線スペクトルの校正に使用されることは覚えておきましょう。

これらのことを踏まえると、
X線やγ線はいずれもいずも光子と呼ばれている電磁波ですが、定義が以下のようになることが分かります。

X線:原子から放出される光子(制動X線、特性X線など)
γ線:原子核から放出される光子

特性X線、オージェ電子、核異性体は毎年必ず試験に出題される非常に重要な用語ですので是非理解してください。これに関連して内部転換についてもしっかり勉強しておいてください。

スポンサーサイト



中性子の弾性散乱

ブログをご覧のみなさん、こんにちは。

昨日、中性子の弾性散乱に関して、コメントにご質問をいただきましたのでここで触れてみたいと思います。

中性子の弾性散乱に関しては、第7版の放射線概論では第9章(P122)に記載されています。中性子が原子核と弾性衝突する場合、原子核の反跳エネルギーに関する以下の公式ですね。



ここで、

Eは原子核の反跳エネルギー
mは中性子の質量
Mは原子核の質量
Enは中性のエネルギー
φは重心系で考えた場合の中性子の散乱する角度

です。

エネルギーEnの中性子が原子核に弾性衝突した場合に、衝突された原子核が得られる反跳エネルギーはEとなり上式で計算できます。
反跳エネルギーEの最大値は、上式からも分かるようにcosφが-1のとき、すなわち散乱角φが180°で中性子と原子核が正面衝突し、中性子が180°後方に跳ね返る場合です。



中性子の質量mは1ですので、M=1である原子核、すなわち陽子(水素原子の原子核)との衝突ではE=Enとなり、中性子が最初にもっていたエネルギーは全て原子核に与えられて中性子は止まります。そのため、中性子の遮へいは水素を多く有するポリエチレンなどや水が使用されるのです。

原子核の反跳エネルギーの平均値は、およそ最大値の半分程度と言われています。
すなわち式で表すと、




中性子の弾性散乱は重要事項ですので、是非過去問題を通して計算できるようにして下さい。



特性X線

今日は、コメントで特性X線に関するご質問をいただきましたので、そのことについて少し書きたいと思います。
特性X線は物理の試験で毎年と言っていいほど出題されている非常に出題頻度の高い重要事項です。

特性X線
 軌道電子がエネルギーを得て軌道外に放出された状態(励起状態)にある原子はX線を放出して基底状態に戻ります。このときの放出されるX線を特性X線といいます。


 K殻の電子が軌道外に弾き飛ばされ、L殻からの電子によって埋められた場合に発生するX線Kα線、また、K殻の電子が弾き飛ばされ、M殻からの電子によって埋められた場合に発生するX線Kβ線といいます。  
 また、L殻の電子が弾き飛ばされ、M殻からの電子によって埋められた場合に発生するX線Lα線K殻の電子が弾き飛ばされ、N殻からの電子によって埋められた場合に発生するX線Lβ線といいます。

高い軌道から電子が落ちてきた方がエネルギーは大きくなりますので、
・Kα線のエネルギー<Kβ線のエネルギー
・Lα線のエネルギー<Lβ線のエネルギー

kαkβ

特性X線を学ぶ時には、オージェ電子蛍光収率に関しても是非理解しておいてください。 

オージェ電子
 励起状態の原子が特性X線を放出せずに外側の軌道電子を放出して基底状態に戻る過程をオージェ効果といい、放出される電子をオージェ電子といいます。

 
蛍光収率
 励起状態にある原子核は、不安定な状態になっているためエネルギーを放出して安定な状態である基底状態に戻ろうとします。放出されるエネルギーとして特性X線やオージェ電子があります。特性X線とオージェ電子は競合過程(どちらかが必ず起こる)です。
 原子番号がZ=32(Ge:ゲルマニウム)まではオージェ電子が起こりやすく、それ以上の原子番号では特性X線が起こりやすくなります。

(放射線概論P.33図2.5)

特性X線またはオージェ電子が放出されるものについては覚えておいてください。
・光電効果
・内部転換
・軌道電子捕獲(EC)
・コンプトン効果


中性子のまとめ

中性子のまとめについて書きます。

中性子は物質中の原子核との4つの反応
 ①弾性散乱、②非弾性散乱、③中性子捕獲(n,γ)、④核分裂


速中性子(エネルギーが0.1MeVよりも大きい)→ ①弾性散乱、②非弾性散乱
・速中性子は水素との反応で最も減速されやすい(水素原子核中の陽子との弾性散乱)
 速中性子検出器:液体シンチレーション、水素充填比例計数管、
 PEラジエータ付Si半導体検出器
・中性子は原子核に捕獲されずに、跳ね返るような反応を起こす。

①弾性散乱:反応前後で運動エネルギーの和が変化しない
②非弾性散乱:反応後の運動エネルギーの和が減少し、原子核の励起に使われる

熱中性子(エネルギーが0.025eVよりも小さい)→ ③中性子捕獲(n,γ)発熱反応
・質量数が1増加し、エネルギーの高い励起状態の原子核生成(γ線、α線放出)
・大きな断面積のため中性子の検出器、遮へいに利用
 熱中性子遮へい材:カドミウム 113Cd(n,γ)114Cd
 熱中性子検出器:BF3比例計数管 10B(n,α)7Li
            3He比例計数管 3He(n,p)3H
            6LiI(Eu)シンチレーター 6Li(n,t)α
            核分裂比例計数管 235U(n,f)
            金箔放射化検出器 197Au(n,γ)198Au 115In 165Dy



・中性子捕獲治療 ホウ素中性子捕捉治療 BNCT 10B(n,α)7Li

・中性子は電荷を持たないのでクーロン力は受けない
・電子とはあまり相互作用せず、原子核と相互作用する
・中性子のエネルギー(速度)が大きくなると捕獲反応は小さくなる 1/v則
 断面積はエネルギーの0.5乗に反比例する
・放射性壊変では反応はQ値が正である発熱反応でしか起こらないが、核反応ではQ値が
 負の吸熱反応でも入射粒子がある値以上の入射エネルギーをもつことにより反応が起
 こる



荷電粒子のまとめ

荷電粒子のまとめです。
放射線概論第7章をもう一度復習してください。

・荷電粒子は物質中に入射されると物質中の電子が形成する電気的な相互作用(クーロン
 力)によりエネルギーを 失い減速する
・陽子線(質量が電子の938/0.511=1800倍)
 α線(質量が電子の4×931.5/0.511=7300倍)
 などは重いため方向を変えずエネルギーを失うまで直進する。ごくまれな確率で原子核と
 衝突して大きな角度で曲げられることがある(ラザフォード散乱)
 ラザフォード散乱:原子核の電場によって曲げられる弾性散乱
・荷電粒子は質量が電子に比べて大きいため、電子との散乱に曲がり方は小さく放射損失
 (制動放射)は無視できるため、エネルギー損失は電子との衝突損失(電離と励起)で決
 まる
・β線に比べて進行速度が遅いため、クーロン力を受けやすく、透過力が小さい。
・荷電粒子は物質中の電子とクーロン力によりエネルギーを失いブレーキを受けて止まる。
 失ったエネルギーは物質中の原子の軌道電子を電離又は励起させる。
・1次電離:α線による直接電離 
・2次電離:α線によってたたき出された電子でエネルギーの高いもの(δ線)がさらに電離を
 起こす
・電離を利用した検出器:Si半導体検出器
・励起を利用した検出器:ZnS(Ag)シンチレーション検出器
・阻止能は荷電粒子が物質中の単位長さ当たりに失うエネルギー
 阻止能は荷電粒子の原子番号の2乗に比例し、速度の2乗に反比例する
・飛程は入射エネルギーがなくなるまで進む距離

阻止能、飛程の公式は必ず暗記してください。

荷電粒子の詳細は
 → http://radioisotope1.blog.fc2.com/blog-entry-93.html

 
プロフィール

ふー

Author:ふー

ランキングに参加中
もしよければクリックお願いします
FC2ブログランキング
もしよければクリックお願いします

FC2Blog Ranking

訪問者
現在の閲覧者数
リンク
カテゴリ
メールフォーム

名前:
メール:
件名:
本文:

最新記事
最新コメント
カレンダー
04 | 2021/05 | 06
- - - - - - 1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 31 - - - - -
月別アーカイブ
検索フォーム
RSSリンクの表示
ブロとも申請フォーム

この人とブロともになる

QRコード
QR