放射能：なぜ一部の原子は崩れていくのか

1896年2月の最後の週、アンリ・ベクレルは太陽を待ちあぐねていた。パリの国立自然史博物館にある研究室で、彼は燐光を放つウラン塩を調べており、日光で励起された結晶が、前年11月にヴィルヘルム・レントゲンが発表したあの謎めいた新しい線を放つのではないかと期待していた。計画は単純だった。塩に日光を吸わせ、それを厚い黒い紙で包んだ写真乾板の上に置き、包みを何かが突き抜けてくるかどうかを確かめる、というものだ。しかしパリは何日も曇り続け、結晶を励起する日光がないまま、ベクレルはひとまず諦めて、塩を包んだ乾板の上に載せたままの一式を引き出しに押し込んだ。

3月1日にようやくその乾板を現像すると、ウラン塩の輪郭がくっきりと、紛れもなく鮮明に焼きついているのを見つけた。日光が結晶に届いたことは一度もなかった。乾板を感光させた何かは、ウランの外からではなく内側から来ていた。塩がまったく独力で、暗闇の中で、目に見えるエネルギー源もなしに生み出した放射だったのだ。ベクレルは、誰も疑っていなかった物質の性質に偶然行き当たっていた。ある種の原子はまったく安定ではなく、それぞれの時間割に従って独力で崩れ、その過程で放射線を投げ出すのである。

この記事は、その糸を、パリの引き出しから現代の病院や地球の年代測定へとたどっていく。不安定な原子から実際に出てくるものは何なのか、なぜあるものは数分で、あるものは何十億年もかけて崩壊するのか、そしてなぜそのいずれもが、熱・圧力・結合といった通常の化学にまったく左右されないのか。

引き出しの中の偶然が新しい科学になる

ベクレルの結果の奇妙さは、つい軽く見られがちだ。そのほんの数か月前に発見されたレントゲンのX線には装置が必要だった。真空管、高電圧、金属に叩きつけられる電子の流れだ。ベクレルのウランには何も要らず、閉じた引き出しの中で動かずにいながら、それでも放射していた。曇り空は実験を台無しにするどころか、発見を可能にしたものだった。日光という説明を取り除き、唯一の源としてウランだけを残したからである。

この現象は、パリにいたポーランド生まれの若い物理学者を擁護者として得た。マリア・スクウォドフスカ・キュリーは、夫のピエール・キュリーとともにベクレルの謎を引き継ぎ、はるかに先まで推し進めた。1898年にパリ市立工業物理化学学校で研究を始めたキュリー夫妻は、ボヘミアの鉱山から採れる黒っぽいウラン鉱石である閃ウラン鉱を何トンも処理し、化学的に少しずつ分離しては、それぞれの放射能を測定した。一部の分画は、ウラン含有量だけでは説明できないほどはるかに活発で、つまり鉱石には、より激しく放射する別の元素がごく微量ながら含まれていることを意味していた。この骨の折れる作業から、彼らは二つの新元素を単離した。ポロニウム（マリアの祖国にちなんで命名された）とラジウムであり、後者はウランそのものよりおよそ百万倍も放射能が強かった。

それに続いた評価は歴史的なものだった。マリ・キュリーは1903年のノーベル物理学賞をピエールおよびベクレルと分かち合い、1911年にはラジウムの単離によってノーベル化学賞を受賞した。彼女は今なお、異なる二つの科学分野でノーベル賞を手にした唯一の人物である。不安定な原子核から粒子や放射線が自発的に放出される現象を指す放射能という言葉は、彼女のものだった。

磁石で仕分けられた三種類の線

不安定な原子が何かを放つのなら、次に当然問うべきは「それは何か」である。答えは一つではなく三つであることが判明し、それらをほどいてみせたのがアーネスト・ラザフォードだった。1899年にマギル大学で研究していた彼は、放射線を磁場の中を通し、それが別々の方向へ、別々の大きさで曲がる異なる成分に分かれるのを観察した。磁場は運動する電荷を曲げるので、各成分の曲がり方が、その電荷とおおよその質量を明らかにした。ラザフォードはギリシャ文字の最初の三文字をとって、それらをアルファ、ベータ、ガンマと名づけた。

アルファ粒子はヘリウム4の原子核であり、二つの陽子と二つの中性子が結びついて、+2の電荷とおよそ4原子質量単位の質量を持つ。放射線としては重く遅く、エネルギーは高いものの、接触するとほぼ瞬時にそのエネルギーを失うため、一枚の紙や皮膚の死んだ外層で止められてしまう。

ベータマイナス粒子は電子だが、原子の外殻からむしり取られたものではない。崩壊のその瞬間に生み出されるもので、原子核内の中性子が陽子・電子・反ニュートリノに変わり、後の二つを放出するときに生じる。電荷はマイナス1で、質量はごくわずかだ。軽く速いので、ベータ粒子はアルファより遠くまで突き抜けるが、数ミリメートルのアルミニウムが吸収してしまう。

ガンマ放射線は種類からして異なる。それは物質の粒子ではまったくなく、質量ゼロ・電荷ゼロの電磁放射の一かたまりである高エネルギー光子であって、だからこそ磁石はそれを曲げない。つかむべき電荷もなく、止めるべき質量もないので、ガンマ線は物質をたやすく通り抜け、それを減衰させるには数センチメートルの密な鉛か、数十センチメートルのコンクリートを要する。器具の滅菌や体内の画像化に役立つというその性質こそが、同時にこの三つの中で最も遮蔽の難しいものにしているのだ。

何ものにも遅らせられない時計

不安定な原子核から何が出てくるかが分かっても、最も深い問いはなお残る。「いつ」である。あるウラン原子は十億年変わらずにいるかもしれない一方で、短寿命の同位体の原子は次の一秒で崩壊するかもしれず、どちらがそうなるかを予測する術はない。崩壊は本質的に統計的なものであり、それを支配する法則が半減期、すなわち放射性試料の半分が崩壊するのに要する時間である。

その計算は明快だ。半減期が一つ過ぎると、元の原子核の半分が残る。二つで四分の一。三つで八分の一。n回の半減期ののち、残る割合は2のn乗分の1になる。試料は決してきっちり零には達せず、ただ半分になり続ける。注目すべきは、この時計がいかに厳密であるかだ。半減期は原子核そのものの性質であり、各同位体について固定されていて、温度・圧力・化学結合にも、その物質をどれだけ持っているかにも依存しない。この点が、放射能を化学者の扱うほぼあらゆるものから際立たせている。

各同位体はそれぞれ独自の時を刻み、その幅は驚くほど広い。炭素14の半減期は5,730年、ウラン238は地球の年齢に匹敵するおよそ45億年、そして核分裂生成物であるヨウ素131はわずか8.02日で崩壊する。三つの同位体、まるで速さの異なる三つの時計が、いずれも同じ単純な半減の法則に従っているのだ。

時間そのものを読む、マンモスから地球まで

各同位体は一定の速度で崩壊するので、放射性試料は時計であり、どれだけ崩壊したかを測ることで経過時間を読み取ることができる。コツは、時計を問いに合わせることだ。同位体は、自らの半減期と同程度の時間尺度のものを年代測定するときにのみ役に立つからである。

炭素14は近い過去のための時計だ。生き物は絶えず炭素を取り込んでおり、その中には放射性の炭素14もわずかながら一定の割合で含まれているが、死ぬとそれが止まり、その後は炭素14がただ崩壊していくので、どれだけ残っているかを測れば、死後の時間が分かる。5,730年という半減期によって、炭素14は数百年前のものから約5万年前までの有機物を確実に年代測定できる。それより古くなると、測定するには残りが少なすぎる。この手法は1949年にシカゴ大学のウィラード・リビーによって開発され、考古学を一変させた。

はるか昔の時間には、はるかに遅い時計が要る。45億年ごとにしか半減しないウラン238は、太陽系で最も古い天体の年代を測る。最も古い隕石はおよそ45億6,700万年前のものとされ、地球上に残る最古の鉱物である西オーストラリアの小さなジルコン結晶は、およそ44億年前のものとされる。時計を時間尺度に合わせること。更新世のマンモスをウランで年代測定することはないし、冥王代のジルコンを炭素で測定することもない。

診療の現場、110分という締め切り

放射能は過去を振り返るための道具であるだけではない。現代医療の働き手でもあり、そこでは半減期が一つの部門全体の段取りを左右する。陽電子放出断層撮影、すなわちPET検査を考えてみよう。これはフッ素18という同位体に頼っている。これは電子の反物質に当たる陽電子を放出して崩壊し、半減期は110分だ。フッ素18は、ブドウ糖そっくりで体内の最も貪欲な細胞がこぞって吸収するフルオロデオキシグルコース、すなわちFDGに組み込まれている。

患者に注射したのち、多くの腫瘍、脳、心臓など、ブドウ糖の需要が高い組織がFDGを取り込んで濃縮する。放出された各陽電子はごく短い距離を進んでから電子に出会い、その時点で両者は対消滅し、その質量を一対のガンマ光子へと変換する。各光子は511キロ電子ボルトのエネルギーを担い、ちょうど正反対の方向へ飛び去っていく。スキャナーの検出器のリングがその両方を捉え、両者を結ぶ線をたどって、ブドウ糖が消費されている場所を地図にする。

その110分の時計が、この処置にまつわるすべてを支配している。フッ素18は前もって作って保存しておくことができず、数時間のうちにそのほとんどが消えてしまう。だからPETセンターは、自前のサイクロトロンを敷地内に備えるか、分単位で時間を合わせた当日配送のどちらかを必要とし、使われなかった線量は単に崩壊して失われる。ここでは半減期の物理学は抽象論ではない。配送スケジュールそのものなのだ。

被ばくを一本のものさしに載せる

放射線は人を不安にさせる。一つには目に見えないからであり、一つには数字が馴染みのないものだからだ。生体組織が吸収した線量はシーベルトで測られるが、その尺度をより直感的に固定する方法がバナナである。普通のバナナにはカリウムが含まれており、そのわずかな一部が放射性のカリウム40なので、一本食べると約0.1マイクロシーベルトをもたらす。これが、非公式ながら本当に役に立つ目安、バナナ等価線量を与えてくれる。

その比較は物事をはっきりさせる。胸部X線は約100マイクロシーベルト、バナナにしておよそ千本分を与える。大西洋横断飛行は、希薄な大気がより多くの宇宙放射線を通すため、約40本分だ。アメリカ合衆国で自然のバックグラウンドを超えて認められている年間の一般人線量限度は1,000マイクロシーベルト、バナナにしておよそ一万本分である。急性放射線症は約1,000,000マイクロシーベルト、バナナ一千万本分まで始まらず、これはどんな日常的な被ばくよりも何万倍も上だ。それらを並べて見ても放射線が無害になるわけではないが、検査と大惨事とがどこにも近づかない尺度の上に、それぞれの被ばくを正直に位置づけてくれる。

なぜ化学は原子核に触れられないのか

これらすべての根底には、学生が決まって直感に反すると感じる一つの事実がある。放射性崩壊は核の過程であって化学の過程ではなく、化学の通常のてこは原子核には届かない、というものだ。化学反応の速度は温度・圧力・濃度・原子が作る結合に強く依存するが、放射性崩壊はそのいずれにも依存しない。ウラン試料を液体ヘリウムの温度まで冷やしても崩壊は遅くならず、融点まで加熱しても速まらず、酸に溶かしても時計はまったく動かない。崩壊は原子核の奥深く、あらゆる化学が起こる電子殻のはるか下で起きているからである。

エネルギーの尺度がその隔たりを鮮やかに示す。化学結合を切るには数電子ボルトが関わるが、核の遷移は数メガ電子ボルト、つまりおよそ百万倍を放出する。原子核はまったく別の領域で働いているのだ。

最後にもう一つの区別が、よくある混同を防いでくれる。半減期は寿命ではない。それは大きな集団の半分が崩壊するのにどれだけかかるかを教えてくれるが、個々の原子核に決まった寿命はない。崩壊は純粋に統計的だからである。これは見かけ上の逆説を説明する。半減期が長いほど、その同位体は同じ質量あたりでは危険が少ないのだ。毎秒崩壊する原子核がより少ないからである。45億年かけて半減するウラン238は活性が弱く、ほどほどの量なら手で扱っても安全だが、八日で半減する同じ質量のヨウ素131は、急性の危険をもたらすだろう。

要点

放射能とは、不安定な原子核から粒子や放射線が自発的に放出される現象であり、1896年3月にアンリ・ベクレルが、ウラン塩が暗闇の中で包まれた写真乾板に自らの姿を焼きつけたときに発見した。続いて1898年にマリ・キュリーとピエール・キュリーがボヘミアの閃ウラン鉱からポロニウムとラジウムを単離し、1899年にはアーネスト・ラザフォードが磁場による偏向で放射線を、アルファ（電荷+2のヘリウム4原子核で、紙で止まる）、ベータ（中性子が陽子になるときに生まれる電子で、数ミリのアルミニウムで止まる）、ガンマ（電荷も質量もない高エネルギー光子で、数センチの鉛を要する）に仕分けた。量的な背骨をなすのが半減期、すなわち試料の半分が崩壊する固定された時間であり、これは原子核だけの性質で、温度・圧力・化学・量に依存しない。その範囲は、放射性炭素年代測定に使う5,730年の炭素14から、8.02日のヨウ素131やPET画像化に使う110分のフッ素18を経て、地球の年代測定に使う45億年のウラン238まで及ぶ。一方でバナナ等価線量（それぞれ約0.1マイクロシーベルト）は、あらゆる被ばくを一本の正直なものさしの上に置き、そして半減期が寿命ではなく統計的なものだという事実が、長寿命の同位体が同じ質量あたりではより安全な側になる理由を説明している。