放射性同位体はなぜ無くならない？

Question

タイトル通りです。化学かもしれません。

放射性同位体は、α、β壊変して、最後は安定同位体になるわけですが、これでは、放射性同位体は世の中に存在しなくなりませんか。
特に半減期が短いものはすぐに無くなる気がします。
疑問です。

どうか、教えてくださいませ。

sanori · Accepted Answer

こんばんは。

天然の放射性同位体の多くは、いくつかの「崩壊系列」のうちのどれかに属します。
崩壊系列は、質量数を４で割ったときのあまりによって、４つに分類されます。

代表的なのは、
１．ウラン系列
　ウラン２３８を始祖とし、１４回放射線を出した後に、鉛２０６に落ち着く。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A6%E3%83%A9%E3%83%B3%E7%B3%BB%E5%88%97

２．アクチニウム系列
　ウラン２３５を始祖とし、１８回放射線を出した後に、鉛２０７に落ち着く。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%83%81%E3%83%8B%E3%82%A6%E3%83%A0%E7%B3%BB%E5%88%97

の２つです。

こういった天然の崩壊列は、始祖となる核種の半減期が非常に長く、
それ以降の、子、孫、ひ孫、玄孫・・・・・の半減期が始祖の核種の半減期に比べれば非常に短いです。
化学の用語に例えれば、始祖の核種の崩壊が「律速段階」になっているわけです。
たとえ話をするならば、
会社で平社員が作った書類に、係長、課長、部長の承認印を押す、という手順があって、
それぞれの所要時間が、
１．平社員が書類を作るのに５時間
２．係長が内容確認してハンコを押すのが３分
３．課長がハンコを押すのが３０秒
４．部長がハンコを押すのが１分
だとしましょう。
２～４の「半減期」は非常に短いですが、１の半減期が長いので、
平社員に書類を作るという仕事があり続ける限り、係長、課長、部長は、失業しなくて済むわけです。

つまり、半減期が短い核種の始祖をたどったところに、半減期が非常に長い核種が存在しているのであれば、
その系列の下位の、半減期が短い核種はなくなることはないわけです。

始祖の核種であるＵ－２３８，および、Ｕ－２３５　は、今でも地球上にたくさん存在します。
そして、Ｕ－２３８の半減期は４５億年、Ｕ－２３５の半減期は７億年です。
よって、ウラン系列、アクチニウム系列にある放射性同位体は、なかなか減ることはない、ということになります。


他の２つの崩壊系列は、下記です。

トリウム系列（Ｔｈ－２３２から始まる）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%88%E3%83%AA%E3%82%A6%E3%83%A0%E7%B3%BB%E5%88%97

ネプツニウム系列（Ｎｐ－２３７から始まる）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8D%E3%83%97%E3%83%84%E3%83%8B%E3%82%A6%E3%83%A0%E7%B3%BB%E5%88%97


【余談】
Ｕ－２３８の半減期は４５億年なので、地球が誕生してから、だいたい半減していることになります。
Ｕ－２３５の半減期は７億年なので、地球が誕生してから、だいたい８５分の１になっています。
現在、Ｕ－２３８とＵ－２３５の存在比は、９９．３％：０．７％　です。
現在の方式の原子力発電に必要なのはＵ－２３５だけです。
「プルトニウム」とか「高速増殖炉」という言葉を聞かれたことがあるかと思いますが、
それは、豊富にあるほうのＵ－２３８を有効利用する方式の原子力です。


以上、ご参考になりましたら。

htms42 · Answer

宇宙線などの放射線を霧箱で捉えた写真を見たことがあると思います。
α線とかβ線の飛跡を見ることが出来ます。粒子１つの飛跡です。
エネルギーが大きいので周囲の物質をイオン化し、それが種になって雲が見える事になります。飛行機雲が見える原理と同じです。放射性粒子１つはどんなに頑張っても見えない大きさなのにその影響は目で見えるスケールのものなんです。
体内でα線やβ線が出れば周りの物質がイオン化されることになります。
エネルギーを失って止まるまで働きは持続します。
遺伝子のＤＮＡがこういう放射線で被爆すれば影響が出るかもしれません。放射線はある値以下は大丈夫という閾値は存在しない、受けた量に応じて影響がでるという説を書いている本もありますがこれがその根拠です。特に体内被曝は直接的です。外部被爆の場合、皮膚表面である程度止まるでしょうが体内被曝の場合は内部の組織がやられます。
Ｃ１４は生体のたんぱく質、脂質、糖質、・・・の炭素を含む化合物全ての中に分布する事になります。常に体内被曝です。

荒っぽい見積もりをやってみます。
体内に含まれている炭素量を１２ｋｇとします。
これは１０００モルです。１モル中に炭素原子は６×１０^(２３)個含まれていますから体内のＣ１４の数は６×１０^(１４)個です。
半減期が５．７×１０００年ということですからこれだけの時間で３×１０^(１４)個は放射線を出して放射性でなくなっています。これは放出される放射線粒子の数に相当します。
１年あたりに直すと
３×１０^(１４)／６×１０００≒５×１０^(１０)個
1秒あたりに直すと
４×１０^(４)個です。
霧箱の中と同じことが体内で1秒間に４万回ほど起こっているということになります。決して少ない数ではありません。
後はこういうことに対して生体の防御システムがどういう具合に対処しているかということです。

存在比が０．０００００００００１２％であるということだけで大丈夫とは言えないのです。

コンピュータのメモリーの中でも問題になりますね。
放射線粒子が当たって何処かのビットが反転したということが起こると全体に対する割合が小さいから影響も小さいとは言えないことが起こる可能性があります。メモリーにはこういうことを防ぐためのガードがあるはずです。でもメモリーを作っている材料物質自体に放射性同位体が含まれているとガードは役に立ちません。体内被曝です。
ＤＮＡは遺伝情報を伝達するためのメモリーのようなものですからどこか１つの傷でも影響が大きいのです。

sanori · Answer

お礼のお言葉をありがとうございました。

＞＞＞このお説によれば宇宙線の寄与は小さいことになりますか。

少なくとも同位体の存在比においては、寄与は小さいです。
たとえば、宇宙線によって生じる炭素１４の場合は、これらによると、
http://home.hiroshima-u.ac.jp/er/Rmin_GL_006.html
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%82%AD%E7%B4%A0
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%82%AD%E7%B4%A014
Ｃ－１２　が９８．９３％
Ｃ－１３　が１．０７％
Ｃ－１４　が０.０００００００００１２％
です。

なお、
前回、ウラン系列とアクチニウム系列が代表的と申し上げましたが、
ちょっと間違えました。
トリウム系列も重要でした。
放射線のＬＳＩに与える影響に関する仕事をしたとき、トリウム系列も計算に入れたのを思い出しました。


【余談】
こういった、始祖の崩壊が律速している系列では、
始祖の原子数×始祖１個当りの放射能　＝　子の原子数×子１個当りの放射能
　＝　孫の原子数×孫１個当りの放射能　＝　ひ孫の原子数×ひ孫１個当りの放射能
　＝　・・・・・
という式が成り立ちます。

この式の意味するところは、
たとえば、ある天然の鉱石にＵ－２３８があって、
そのＵ－２３８単独の放射能（の合計）が１０００ベクレルあるとすると、
子の放射能（の合計）も１０００ベクレル、孫の放射能（の合計）も１０００ベクレル、ひ孫の放射能（の合計）も１０００ベクレル・・・・・です。

Ｕ－２３８は、安定な鉛になるまで１４回の崩壊があるので、
子孫の分も合計すれば、Ｕ－２３８単独の放射能の１４倍（上の例では１４０００ベクレル）の放射能がある、というわけです。
（この現象は、「放射平衡」と呼ばれます。）
前回回答の、平社員～部長の例えからも、直感的にわかるかと思いますが。


【余談２】
人類が誕生してから現在に至るまで人類が浴び続けている、地上の天然放射線のことはあまり気にすることはないのですが、
飛行機に乗ったときの中性子被爆は、要注意らしいです。
http://homepage3.nifty.com/anshin-kagaku/sub051030hobutsu2005sugiura.html
http://www.nirs.go.jp/research/jiscard/information/05.shtml

あと、原子力施設関係になりますが、
ヨウ素の放射性同位体は甲状腺に蓄積し、プルトニウムは骨にくっつきます。
これらは、留まっている付近の部位を集中攻撃するので危険です。（と学生時代に習いました。）


以上、ご参考になりましたら。

htms42 · Answer

放射性同位体は放射線を出して変化します。
当然時間がたてば放射性同位体の量は減少していきます。
半減期が長ければ現在もかなり存在するでしょうが短ければ存在していないだろうという推測が成り立ちます。考える時間は地球の年齢（４５億年）のスケールです。
半減期の短い核種は新しく作り出される仕組みが存在しない限り測定にはかかってこないはずです。

＞天然の放射性同位体の多くは、いくつかの「崩壊系列」のうちのどれかに属します。
半減期が地球の年齢程度の始祖の核種があればそこから作り出される核種は寿命の短いものでも絶えず作られているのですから測定にかかってきます。

でもこういう系列に属さないものもあります。
考古学で年代測定に使われている放射性同位体Ｃ１４の半減期は５．７３×１０００年です。数千～数万年前ぐらいの生物の遺骸に対して適用可能です（恐竜の時代には適用できません。１億年も前であればＣ１４は残っていません）。生物の体の中にある同位体の存在比が自然界での存在比に比べてどれくらい少なくなっているかで年代を調べます。この測定が可能であるためには自然界の存在比が数万年レベルで一定であるという前提が必要です。
Ｃ１４は宇宙線の働きでＮ１４が変化して出来ます。
放射性でない同位体が放射性の同位体に変わるのです。

このことから考えると地中にある放射性物質が放射線を出して壊変していく時にその放射線を受けて非放射性の同位体が放射性に変わることもありそうです。

私たちはＣ１４の壊変に伴う放射線の体内被曝を絶えず受けている事になります。
Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎは生物の体をを構成する基本元素です。これ等の放射性同位体があれば常に体内被曝にさらされる事になります。３Ｈも危ないでしょうね。半減期は１２．３３ｙです。理科年表に「地球には宇宙線による核反応などによって作られたものが約１０ｋｇ存在する」という記述があります。

Kurabel · Answer

それは、放射性同位体が、新たに作り出されているからです。

放射性同位体の中には、半減期が数十億年といった非常に長寿命ものが存在します。
そのような長寿命の放射性核種が、懐変すると、別の放射性核種ができます。そして新たに生まれた放射性核種は、また懐変して、別の放射性核種になります。これがいくつも起こって、最終的には安定核種になります。
一番初めの放射性核種が無くならない限り、途中で作られる放射性核種もいつまでたっても生まれては壊れつづけるので、なくならないことになります。

他にも、太陽降り注ぐ中性子が、大気中の窒素14と反応して放射性同位体である炭素14をつくり出すようなばあいもあります。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E5%90%8C%E4%BD%8D%E4%BD%93

Tacosan · Answer

確かに, 外部から取り込むか自分でせっせと作るかしないと放射性同位体はなくなります. だから, 実際に半減期が短いものはすぐになくなっています.
実際 Tc は地球上で天然に存在しない (超新星では確認されています) し, 放射性同位体を使った年代測定法 (C-N, K-Ar, Rb-Sr, U-Pb など) が使えるんだけど.

rgeyhyu · Answer

中性子放射化でいくらでも放射性同位体を作ることができます。

放射性同位体はなぜ無くならない？

こんばんは。

この回答への補足

宇宙線などの放射線を霧箱で捉えた写真を見たことがあると思います。

この回答への補足

お礼のお言葉をありがとうございました。

この回答への補足

放射性同位体は放射線を出して変化します。

それは、放射性同位体が、新たに作り出されているからです。

確かに, 外部から取り込むか自分でせっせと作るかしないと放射性同位体はなくなります. だから, 実際に半減期が短いものはすぐになくなっています.

この回答への補足

中性子放射化でいくらでも放射性同位体を作ることができます。

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