放射線はどこにでもある。でも、すべて悪いわけではない

多くの人は放射線を悪いものと解釈しますが、必ずしもそうではありません。実際、放射線はごく普通の現象です。ここでは、放射線とは物体がエネルギーを発生することとだけ述べておきましょう。物質が放射性である場合、エネルギーは粒子または電磁波として放出されます。粒子は通常、電子や原子などです。電磁波は電磁スペクトルのどの領域にも存在します。Wi-Fiは電磁波を発生するので、厳密に言えば、自宅のアクセスポイントは放射線源です。天井の電球も同様です。実際、あなた自身も体温によって赤外線スペクトルの放射線源となっているのです。

しかし、ほとんどの人は放射線をそのように考えていません。一般的に「放射線」と呼ばれるものは、実際には特別な種類の放射線、すなわち電離放射線です。物体が電離放射線を発生すると、十分なエネルギーが放出され、他の物質と相互作用する際に、その原子から電子が解放される可能性があります。解放された電子は他の原子と自由に相互作用するか、あるいは単に空間に放り出されるだけです。しかし、電子が何をするかに関わらず、元の原子から離れると、それを電離と呼びます。

電離放射線は偶然発見されました。デジタルスマートフォンが登場する以前、フィルムで写真を撮っていた頃の写真の基本的な原理は、フィルムに光が当たると化学反応が起こり、現像すると写真が現れるというものでした。そして1896年、フランスの物理学者アンリ・ベクレルは、ウラン塩が、まだ包装されたままの未露光の写真フィルムに影響を及ぼすことに気づき、放射能を発見しました。どういうわけかウランは光に似た効果を生み出しましたが、光とは異なり、紙の包装を透過することができました。

ウランは天然に放射性物質を放出しており、これは電離放射線の一種であることが判明しました。ウランはガンマスペクトルの電磁波を放出します。ガンマ線はフィルムと反応して感光する可視光に似ていますが、紙を透過できるという点で可視光とは異なります。

日常生活でウランを直接使用することはないかもしれませんが、様々な用途で安全なレベルの電離放射線に遭遇することは確かにあります。例えば、煙探知器は空気中の煙を検知するために放射線源を使用します。放射線源は荷電粒子（ほとんどの場合、アルファ粒子）を発生し、それが探知器内の空気を電離させ、空気中に電流を発生させます。煙の微粒子が探知器内に入ると、この電流が遮断されます。すると探知器は耳をつんざくような音を発する信号を送り、火災が発生したこと、あるいはコンロで夕食を焦がしてしまったことを知らせます。

米国の電力の18%は原子力発電所から供給されており、当然のことながら、原子力発電所は電離放射線を放出します。医療用X線画像も電離放射線を放出することがあります。陶器の皿の中にはウランベースの塗料でコーティングされているものもありますが、まさにこれが放射線を放出します。厳密に言えば、バナナはカリウムの含有量が比較的高いため、放射性物質です。電離放射線は宇宙から来る可能性もあり、私たちはこれを宇宙線と呼んでいます。

日常生活で遭遇する多くの放射線源は、放射線量が非常に低いため、心配する必要はありません。しかし、電離放射線は危険を伴うこともあります。なぜなら、これらの自由電子は人体の細胞や組織内の分子と相互作用するからです。余分な電子が加わると、分子を結びつけている化学結合が切断される可能性があります。そのため、核兵器や原子力発電所のメルトダウンに関連する放射性物質は、がんのリスクを高める可能性があります。

電離放射線には、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、中性子線の4種類があります。それぞれの放射線の性質と検出方法について説明します。

アルファ粒子

1896年当時、放射線について誰も何も知りませんでした。それが粒子なのか、それとも光のような電磁波の一種なのかも分かっていませんでした。そこで彼らは「放射線」という用語を、光線のような一般的な意味で使うことにしました。こうして、現在も使われているアルファ線やガンマ線といった用語が生まれたのです。

しかし（ネタバレ注意）、アルファ線は波ではありません。実際には電荷を帯びた粒子です。アルファ粒子は2つの陽子と2つの中性子で構成されています。つまり、アルファ粒子は電子を除いたヘリウム原子です。（そう、彼らはそれを「ヘリウム粒子」と呼ぶべきだったのですが、誰も何が起こっているのか知りませんでした。）

それがアルファ線であり、他の種類のものではないとどうやって見分けるのでしょうか？答えは、アルファ粒子は一枚の紙のような薄いもので簡単に遮蔽できるからです。つまり、アルファ粒子を発生する線源があれば、写真フィルムのようにごく少量の物質で検出器を遮蔽することができます。

アルファ粒子が容易に遮断される理由は、アルファ粒子が非常に重いため、放射源から比較的遅い速度で放出されることが多いためです。また、陽子2個分の電荷を持つため、アルファ粒子と遮蔽紙の陽子原子核の間には大きな静電力が働きます。（これを2eの電荷と呼びます。ここでeは電子または陽子の基本電荷です。）遮蔽紙に含まれるこれらの原子の数はそれほど多くなくても、アルファ粒子を実質的に停止させることができます。

アルファ粒子を阻止できるものが他に何かご存知ですか？それは人間の皮膚です。そのため、アルファ線は放射線の中で最も害が少ないと考えられています。

ベータ粒子

1899年、アーネスト・ラザフォードは放射線をアルファ線、ベータ線、ガンマ線の3種類に分類しました。アルファ粒子は容易に遮断できますが、ベータ粒子とガンマ粒子は質量がはるかに小さいため、ある程度の金属遮蔽を透過し、物質の奥深くまで浸透します。実際、ベータ粒子は電子、つまり負の電荷を持つ基本粒子です。アルファ粒子の質量はベータ粒子の7,000倍以上です。つまり、非常に低質量のベータ粒子でも非常に高速で放出され、人体を含む物体を貫通する能力を持つということです。

ガンマ線

ガンマ線は実際には粒子ではなく、放射線です。放射線の3番目のクラスであり、可視光線と同様に電磁波の一種です。

しかし、目で見える光の波長は400～700ナノメートルであるのに対し、ガンマ線の波長ははるかに短いです。典型的なガンマ線の波長は100ピコメートル程度です。（注：1ピコメートル＝10の^-12乗メートル、1ナノメートル＝10の^-9乗メートル）。つまり、ガンマ線の波長は可視光の約1,000分の1になる可能性があるということです。このように波長が短く、周波数が非常に高いため、ガンマ線は非常に高いエネルギーレベルで物質と相互作用します。また、ほとんどの物質のかなり深いところまで浸透するため、ガンマ線を遮断するには通常、大きな鉛の塊が必要になります。

(いいえ、ガンマ線を浴びてもハルクに変身できるわけではありません。それは漫画や映画の話です。)

中性子放射線

4つ目の放射線の種類がありますが、これは他の3つとは全く異なります。アルファ線、ベータ線、ガンマ線はいずれも電離放射線の一種で、原子から電子を弾き出します。一方、中性子線は放射性原子核から中性子を弾き出します。

中性子は正味電荷がゼロで陽子に似ているため、電子とは実際には相互作用しません。その代わりに、中性子が原子に衝突すると、原子を2つの新しい原子（そして大量のエネルギー）に分裂させるか、原子核に吸収されます。これにより同位体、つまり中性子の数が異なる原子が生成され、不安定になる可能性があります。原子核が不安定になると、放射性崩壊を起こし、ベータ線とガンマ線が発生します。これらの二次的な相互作用によって電離放射線が発生します。

中性子は電荷を持たないため、多くの物質を容易に通過します。そのため、遮蔽はむしろ困難です。物（そして人）を中性子線から守る鍵は、何らかの方法で粒子の速度を落とすことです。実は、水素を使えばそれが可能なのです。中性子が水や炭化水素などの水素を含む分子と相互作用すると、衝突によって中性子の速度はわずかに低下します。衝突の回数が増えるほど、中性子の速度は低下します。最終的には、問題を引き起こさないほど遅くなります。

放射線検出

これらすべての種類の放射線を検出するには、いくつかの方法があります。多くの人が（主に映画で）よく知っているのは、ガイガーカウンター（ガイガー・ミュラー・カウンターとも呼ばれます）です。

この装置の重要な部分は、箱の上部にあるチューブです。このチューブの中にはヘリウムやアルゴンなどのガスが入っており、チューブの軸に沿って電線が走っています。チューブの外側の表面と中心の電線に大きな電位差が加わります。図のような構造です。

アルファ線、ベータ線、ガンマ線が管内のガスを通過すると、原子を電離させて自由電子を生成します。この電子は中心の導線の正電圧に引き寄せられます。電子が導線に向かって移動するにつれて速度が増し、他のガス分子と衝突してさらに多くの自由電子を生成します。これらの新しい電子もまた導線に向かって加速し、電子を生成します。1つの電子がさらに大量の電子を生成するため、これを「電子なだれ」と呼びます。

これらの電子が導線に到達すると、電流が発生し、増幅されてオーディオ入力に送られます。この増幅された電子雪崩によって、ガイガーカウンターで聞こえるあの「カチッ」という音が鳴ります。

放射線を検出する別の方法として、シンチレータがあります。これは特殊に製造された結晶またはプラスチックのような材料です。4種類の放射線のいずれかがシンチレータを通過すると、微量の可視光が発生します。この微量の光を検出する装置が必要です。最も一般的な機器は光電子増倍管です。もちろん、シンチレータを使って光を検出するため、絶縁テープなどで覆って外部光源から材料を保護する必要があります。

驚くべきことに、あなたのポケットの中に放射線検出器があるかもしれません。スマートフォンを使ってガンマ線（そしてX線）を検出することが可能です。仕組みはこうです。スマートフォンのカメラには画像センサーが搭載されています。通常、可視光がセンサーの様々な部分に当たると、複雑な電気信号が生成されます。このデータは、お気に入りの猫や犬、あるいはあなたが撮りたいどんな写真でも、デジタル画像に変換されます。しかし、この画像センサーはガンマ線とX線の両方によっても活性化されます。つまり、専用のソフトウェアと、カメラからの可視光を遮るもの（例えば黒いテープなど）さえあれば、放射線検出器が完成するのです！

もちろん、このイメージセンサーはポケットに収まるほど小型なので、効率はそれほど高くありません。しかし、これは確かに放射線検出器です。映画『サンダーボール作戦』でジェームズ・ボンドが使っていた腕時計のガイガーカウンターと似ていますが、こちらは本物です。