同位体には、放射性同位体というものがあります。今回は放射性同位体の原子核が崩壊するしくみと、放射性同位体の半減期について詳しく見ていきます。
放射性同位体とは
同位体の中には不安定な原子核を持ち、放射線とよばれる粒子や電磁波を出して、他の原子に変化する放射性同位体（ラジオアイソトープ）というものがあります。放射線を出しながら他の原子に変化する現象を壊変といいます。有名な放射性同位体としては3Hや14Cがあります。
放射線と壊変
放射線には、α線（アルファ線）、β線（ベータ線）、γ線（ガンマ線）、x線（エックス線）、中性子線などがあります。この放射線を出しながら原子が崩壊していく現象が壊変です。壊変には次の3種類があります。
- α壊変
α線であるヘリウムの原子核を放出しながら壊変する。
ヘリウム原子核の放出ですので、α線は正の電荷をもつ。
α壊変が一回起こると原子番号は２減少し質量数は４減少する。
（ヘリウムHeの原子核は陽子２個と中性子２個で構成されているから） - β壊変
β線である電子を放出しながら壊変する。
電子e⁻を放出するので、β線は負の電荷をもつ。
中性子が陽子と電子に変化することでβ線が放出されるので、β壊変が一回起こると質量数は変わらないが原子番号は１増加する。 - γ壊変
γ線であるα、β壊変の後に出る余分なエネルギーを放出するしながら壊変する。
エネルギーだけの放出なので、原子番号や質量数は変化しない。
化学基礎の範囲では、β壊変を押さえておけば十分でしょう。中性子１個が陽子１個と電子１個に変わるので、原子番号が１増加することがポイントです。
質量数14の炭素原子のβ壊変
β壊変する放射性同位体として有名なのが、14Cです。炭素原子は原子番号６番なので、陽子を６個持ち、質量数が14なので、質量数14－陽子数６＝中性子数８になります。
14Cが1回β壊変すると、中性子１個が陽子１個と電子１個に変わり、β線（電子ｅ⁻）を放出して窒素14Nに変化します。
放射性同位体の半減期
次は半減期についてみていきます。放射性同位体の14Ｃですが、自然界ではその割合が一定になっています。β崩壊によって減少する14Ｃの量と宇宙線により増加する14Ｃの量が同じになっているからです。
植物は光合成により二酸化炭素CO₂を吸収しますが、このとき二酸化炭素に含まれる14Cも自然界と同じ割合で取り入れています。しかし、植物が枯れると14Cの取り込みが途絶え、壊変によって14Cの割合は減少していきます。
14Cの減少のしかたには特徴があって、5730年経過するごとにその濃度が半分になります。放射性同位体が他の原子に変化することで、その濃度が半分になるまでの時間を半減期といいます。
この半減期を利用し、枯れたり化石になった生物体の14Cの量を測定することで、何年前にその生物体が枯死したり死んだかがわかるのです。つまり、14Cは年代測定に使用されているのです。
放射性同位体の練習問題
Q１：次の文中の（ ）に適する語句や数字を記入しなさい。
同位体の中でも、質量数がことなる原子どうしを（ ① ）という。（①）は原子核が不安定で、放射線を出しながら崩壊する（ ② ）を起こす。このときに出される放射線のうち、正の電荷をもつものが（ ③ ）線であり、負の電荷をもつものが（ ④ ）線である。（④）線は高速の（ ⑤ ）の流れであり、中性子１個が陽子１個と電子１個に変化するときに放出される。そのため（④）壊変を１回起こした原子では（ ⑥ ）は変化しないが、（ ⑦ ）は１増加する。
Q２：ある遺跡から発見された木片中の14Cの割合を調べると、現生する木に含まれる量の25％であった。14Cの半減期を5700年とすると、この遺跡は何年前のものだと推定されるか。
放射性同位体の練習問題 解答
A１
同位体の中でも、質量数がことなる原子どうしを（①放射性同位体）という。放射性同位体は原子核が不安定で、放射線を出しながら崩壊する（②壊変）を起こす。このときに出される放射線のうち、正の電荷をもつものが（③α）線であり、負の電荷をもつものが（④β）線である。β線は高速の（⑤電子）の流れであり、中性子１個が陽子１個と電子１個に変化するときに放出される。そのためβ壊変を１回起こした原子では（⑥質量数）は変化しないが、（⑦原子番号）は１増加する。
A２
半減期を１回迎えると14Cの割合は50％になる。２回迎えると50％のさらに半分の25％になる。14Cの半減期は5700年なので、5700✕２＝11400年
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