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公開: 2011年8月3日 / 最終更新日: 2012年11月30日
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放射線と原子力発電所事故についてのできるだけ短くてわかりやすくて正確な解説

ベクレル・グレイ・シーベルト

ベクレル

だから、異なった核種でも、ベクレルで測った量が等しければ、そこから出てくる放射線は（ごく大ざっぱには）同程度ということになる（右の図は、ベクレルで測った量が等しい、別種の放射性物質のイメージ）。

以下、正確な定義をみよう。

通常は「短い時間」として 1 秒を選ぶ。 そして、

\(P\) ベクレルの放射性物質があれば、\(1\) 秒間に平均で \(P\) 個の原子核が崩壊する

1 モルの物質の質量をグラムで測ると質量数 \(A\) に等しい。 よって、質量数 \(A\) の放射性の原子核 1 Bq の質量 \(m_\mathrm{B}\) （単位はグラム）は、 \[ m_\mathrm{B}\simeq 2.40\times10^{-24}\times\tau\times A \] となる。

セシウム 137（質量数は \(A=137\) で、半減期は 30 年だから秒で表わすと \(\tau\simeq30\times365\times24\times60^2\simeq9.46\times10^8\)）なら、\(m_\mathrm{B}\simeq3.1\times10^{-13}\ \rm g\) である。ピコグラムのオーダーだ。 たとえば、2012 年 3 月以前の牛肉中の放射性セシウムの暫定基準は 1 kg あたり 500 Bq だが、これはわずか \(1.6\times10^{-10}\rm\ g\) に相当することになる（実際はセシウム 134 もあるので、質量はさらに小さい）。 あるいは、福島第一原子力発電所から放出されたセシウム 137 の総量は（まだ確定していないが）\(1.5\times10^{16}\rm\ Bq\) 程度と推測されているが、これも質量にすれば 5 kg 程度である（もちろん、だからと言って影響が小さいと言っているわけではない。放射性物質というのは、ごくごく少量でもきわめて甚大な影響をもつということだ）。

放出量の推測は、Geoff Brumfiel, "Fallout forensics hike radiation toll", Nature 478, 435-436 (2011) (webページ）から引用した。

一方、放射性のカリウム 40 の半減期は 12 億 8 千万年である。 よって \(A=40\), \(\tau\simeq 1.28\times10^9\times365\times24\times60^2\simeq4.0\times10^{16}\) を代入すると、\(m_\mathrm{B}\simeq3.9\times10^{-6}\rm\ g\) となる。 半減期が長いことを反映して、これはマイクログラムのオーダーになる。

これをもとに計算すれば、4000 Bq のセシウム 137 は \(1.2\times10^{-9}\rm\ g\)であり、4000 Bq のカリウム 40 は \(0.015\rm\ g\) であることがわかる。 本文でも述べたように、両者の質量は桁違いだが、出てくる放射線はほぼ同等であることになる。 実は、4000 Bq というのは成人の体内にあるカリウム 40 の総量である。 このようなカリウム 40 とセシウム 137 の（ベクレルで測った）比較は、食品による内部被ばくの問題を考える際に重要な役割を果たす。 詳しくは、解説「食品中のセシウムによる内部被ばくについて考えるために」を見よ。

複数の核種があるとき、ベクレルではかった量を単純に合計してもおおよその目安程度の意味しかない（実際にはセシウム 134 とセシウム 137 を合計した量をベクレルで表わすことが多いのだが、まあ、それも目安と思っておけばいいだろう）。

キュリーとベクレルは、正確に、 \[ \rm1\ Ci = 3.7\times 10^{10}\ Bq \] で結ばれると定義されている。

たとえば、野菜のキュウリには天然でも 1 kg あたり 6 Bq 程度の放射性カリウムが含まれているそうだが、これをキュリーに換算すると、1 kg あたり約 160 ピコキュリー（160 pCi）ということになる。いや、ただちょっと換算してみたかっただけです。

グレイ

左の図は、空間のある領域に放射線（たとえばガンマ線）の一様な流れのある状況を表わしている。 この放射線の流れのなかに、同じ物質でできた物体がいくつか置かれている。 物体の大きさや形状はまちまちだが、物体の厚み（放射線の進行方向に沿って測った長さ）はどの場合にも十分に小さく、放射線はほとんどスカスカと物体を通り抜けていくと仮定する。

このような状況で、すべての物体が同じ時間だけ放射線にさらされていたとする。 放射線のほとんどは物体を貫通すると仮定したが、一部は物体に吸収されてエネルギーを与える。 このとき、

　　物体が吸収したエネルギーの総量は、物体の質量に比例する

「物体の向きに関係ない」ということについては、右の図のように考えるといい。 同じ直方体の物体を二通りの置き方で放射線の流れの中に置いたとする。 物体を貫く放射線の数（実際に通過する粒子（ガンマ線なら光子）の個数と思っていい）は、明らかに、物体を縦に置いたとき（図の上側）の方が多い。 一方、放射線が物体に与えるエネルギーは、放射線が物体の中を通過する距離に比例する。 すると、通過する距離は物体を横に置いたとき（図の下側）の方が長いので、けっきょく二つの効果がちょうど打ち消し合って、どちらの置き方でも物体が吸収するエネルギーは等しいことになる。

「エネルギーが質量に比例する」ことは、まあ、「物体が大きければいっぱい吸収する」と思えば、だいたいなっとくがいくだろう。 もう少し詳しくいうと、放射線が反応する相手（ガンマ線なら電子）の総数が物質の質量に（ほぼ）比例するというのが、その理由だ。

より一般の形状の物体についての考え方、また、質量に比例すると考えるべきより深い理由に興味のある方は、本格的な解説である「ベクレルからシーベルトへ（pdf ファイル）」をご覧いただきたい。

（吸収線量）　＝　（物体が吸収したエネルギー）÷（物体の質量）

逆の言い方をすれば、この空間で一定の時間の放射線を浴びた際の吸収線量がわかっていれば、

（物体が吸収したエネルギー）＝（吸収線量）×（物体の質量）

吸収線量は放射線の被ばくを考える際に基本となる量である。

上で書いたことを単位をはっきりさせて書き直しておこう。 ある場所である時間のあいだ放射線を浴びた際の吸収線量が \( H\rm\ Gy\) だったとする。 すると、質量が \(m\rm\ kg\) の物体が吸収したエネルギーは \( mH\ \rm J\) になる。

（吸収線量率）　＝　（吸収線量）÷（時間）

当然ながら、吸収線量率の単位は Gy/s （グレイ毎秒）や Gy/h （グレイ毎時）である。

よって、人体のように複雑で大きめの物体の被ばくを考える際には、吸収線量は組織や場所に依存することになる。

シーベルト

以下では重要な量についてだけ、ごく大ざっぱに見ておこう。

実効線量とは、体が被ばくで受けた（かもしれない）ダメージの総量の目安である。 内部被ばくについても、外部被ばくについても実効線量を用い、両者の合計を最終的な実効線量とする。 実効線量の概念はなかなかややこしいので、詳しく知りたい方のために、解説「実効線量とは何か」を用意した。

ガンマ線による外部被ばくのみを扱う際には、実効線量は、ごく大ざっぱには、吸収線量に等しいと考えてよい。 よって、この場合にはシーベルト (Sv) はグレイ (Gy = J/kg) と同じものである。 ただし、アルファ線や中性子線の被ばくを考えるときには、実効線量と吸収線量は大きく異なり、シーベルトどグレイはまったく別のものになる。

線量計を用いて環境の放射線の「強さ」を測ると μSv/h の単位で表される線量率が得られる。 たとえば、0.03 μSv/h の環境に 2 時間いれば、0.06 μSv の被ばくという具合に、線量率を積算して得られる「被ばく量」がだいたい周辺線量当量だと思っていいようだ（これは線量計の校正にもよるのだろうが）。

解説「内部被ばくのリスク評価について」で詳しく説明するが、実効線量係数という換算係数を用いて、体内に取り込んだ放射性物質の量から実効線量を推測する方法がとられている。 体内に取り込んだ放射性物質の量は、食品や飲料中の放射性物質の量を測ったり、あるいは、ホール・ボディー・カウンターという装置で体から出るガンマ線を測ったりすることで推測する。

等価線量というのは、人間の体のなかの個々の組織や臓器が受けた線量の目安なのだが、なかなか面倒な量だ。 放射線防護の仕組みについてある程度は詳しく知りたいという人以外は、等価線量のことは気にしないのが得策だと思う。

詳しく知りたい方は、 解説「実効線量とは何か」、「内部被ばくのリスク評価について」をご覧ください。

おまけ：「ベクレルは放射性物質の量を測る単位」という表現について

自分が持っている教科書には、『ベクレルは放射能の単位』とあるので、あたなの書いているのは間違いです

さらに言えば、この表現は別に「わかりやすさを優先して、あえて厳密さを犠牲にした言い方」でもない。 「ベクレルが放射性物質の量の単位」という表現は厳密に正しいのだ。

こうやって断言するのには理由がある。 ここで扱っているのは、煎じ詰めれば「ミクロな物理現象に基づいて、マクロな物質を特徴づける」問題の一種と言っていい。 そして、こういうことをもっとも一生懸命に考えているのは物理 --- 中でも、統計物理学や熱力学 --- の専門家なのだ。 で、まあ、ぼくはこれらの分野を専門としているわけです（根拠、というか宣伝：ぼくが書いた熱力学と統計力学の教科書はけっこう評判がいい。とか書くと、「こいつは教科書だけ書いて論文を書いてない」とか言う人が出てくるわけだけど（←こういう情報発信をしていると、そういうのにも慣れて来ますね・・）、まあ、それなりにまともな（つもりの）論文も書いている（←とか書くと、こいつは権威主義だとかいう人が現われて・・・））。

あと、せっかく物質の量を測ろうというのだから、測った量が、ちょっと時間が経っただけで大幅に変わってしまっては困る。 かといって、「未来永劫に変わらない量」とか言い出すと、なかなかそんなものはない（長い目で見ればバリオン数だって保存しないし）。 考えている状況と時間スケールのあいだで、実質的に変化しない程度の量を見ていればよい。

これらをまとめると、「物質の量」というのは、「考えている状況での時間変化が十分に小さな、示量性の物理量」だと言える。

「時間変化の小さな示量性の物理量」の代表選手は、言うまでもなく、質量だ（重力が一定の状況では質量と同じになる重量を使ってもいい）。 あるいは、モル数や（実測はほぼ不可能だが）物質中の原子の総数なんかでもよい。 また、周囲の圧力や温度が一定という環境下であれば、体積も「時間変化の小さな示量性の物理量」として十分に役に立つ。

量を測りたい物質が放射性物質の場合にも、もちろん、質量が使えるし、状況によっては体積も使えるかもしれない。 しかし、この場合には別の手がある。 一定量の放射性物質の中で「単位時間に起きる崩壊の回数（の平均値）」を「放射能」と呼ぶ（言葉の使い方については下の説明を参照）。 物質が増えれば崩壊の回数（の平均値）もそれに比例して増えるから、放射能は示量性の物理量だ。 また、半減期に比べて十分に短い時間のスケールでは、放射能の時間変化も十分に小さい。 放射能は「物質の量」の用件を満たしている。 放射性物質の量として放射能が使えるということになる。

つまり、扱っている物質が放射性であれば、「物質の量」として、質量、モル数、（場合によっては）体積、などの他に放射能が使えるのだ。

質量の単位には g や kg がある。 これらは、「物質の量を（質量を使って）測るための単位」である。

同様に、体積の単位には L や \(\rm cm^3\) がある。 これらは、「物質の量を（体積を使って）測るための単位」である。

これらをまとめて、g も kg も L も \(\rm cm^3\) も mol も、「物質の量を測るための単位」だと言ってもよい。 これは正確な表現だ。

さて、（「単位時間に起きる崩壊の回数（の平均値）」という意味での）放射能の単位には Bq や Ci（キュリー）がある。 これらは、「放射性物質の量を（放射能を使って）測るための単位」なのである。 だから、（しつこいけど）「ベクレルは放射性物質の量を測るための単位」という言い方は正確なのだ。

要するに、「放射性物質の量を測るための単位」としては、Bq だって Ci だって kg だって mol だって使えるのだ。 これらの異なった単位で表わした数値を互いに換算する方法は本文（「ベクレル」の部分）に書いたとおり（そもそも、互いに換算できるのは、これらがどれも「放射性物質の量を表わす単位」だから）。

もちろん、同じことを「ベクレルは、放射能を使って、放射性物質の量を測るための単位」と書いて「放射能」に言及することもできる。 ただ、ぼくは、ここでわざわざ「放射能」という言葉を持ち出さないほうがいいと思ったのだ。 なぜか？

その最大の理由は、放射能という言葉が二つの意味を持っているということだ。

多くの場合、放射能という言葉は、「放射能を帯びた瓦礫」みたいに使われる。この場合の「放射能」の意味は「放射線を出す能力」といったところだ。そして、一般の人が「放射能」という言葉を使うときは、ほとんどこの意味（あるいは、そこから派生した何となく混乱した意味）を念頭に置いていると思われる。

「放射能」の二つ目の意味は、上のほうで説明した「単位時間に起きる崩壊の回数（の平均値）」である。 しかし、この用法は一般の人にはほとんど知られていないんじゃないだろうか？　その用法を敢えて持ち出すのは、けっこう面倒だし、混乱を招く可能性もある。

「この食品には 1 kg あたり 600 ベクレルの放射性セシウムが入っている」というときには、「ベクレル」が出てくる時点で何の話かわかるので、わざわざ「放射能」とは言わない。 地面の汚染だろうが、WBC の結果だろうが同じことだ（一つだけ、「放射能」が便利だなと思ったのは、セシウム 134 と 137 の量の比を語るとき。モル数や質量の比じゃなくて、放射能比を考えるから。ただ、この場合も、「ベクレルで測った量の比」と言えば正確だし、わかりやすい）。 ほとんど使わない上に、二つの用法があってややこしい言葉を、わざわざ導入しなくてもいいと思うのだ。

「私の体内には約 4,000 ベクレルのカリウム 40 があります」という文章の意味を尋ねて、「カリウム 40 の放射能が 4,000 ベクレルってことです」と答えられても、なんだかよくわからない。 「放射能」の普通に使われる意味が念頭にあると、放射線の強さのことなのかなあと思ってしまうかもしれない。 一方、「カリウム 40 の量が 4,000 ベクレルってことです」と答えれば、ずっとすっきりしていて、明快だと思いませんか？　 しかも、この説明は「このカップの中の水の量は 200 mL です」という表現とまったく同様に正確なのですよ。

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