試験の復習・定期試験対策に活用してください。

試験は説明問題6問、計算問題4問の合計10問で構成されています。
配点は説明も計算も1問10点です。

明朗会計ならぬ、明朗採点です。

全体概要

今年の放射線物理学Ⅰ中間試験の平均点は70.8点でした。
説明問題は平均78％でしたが、計算問題は平均60％にとどまりました。
特に計算問題の問2は正答率36％と苦戦した学生が多く見られました。

今回は各問題の解説に加え、採点していて多かった誤答についても紹介していきます。

問1　「電離」を図と文章で説明しなさい。

解答例

説明は何パターンか掲載しておきます。

• 軌道電子を原子外に放出する現象
• 軌道電子が原子外に放出されること

解説

正解率95％と非常によくできていました。

電離の説明のポイントは「原子外」という部分です。

「電子」が原子から「離れる」から「電離」なんです。
だから、「原子外」まで行かないと電離になりません。

電離は放射線に限らず、様々な要因で起こります。
放射線による電離は、放射線のエネルギーが物質側に移ることで起こります。
こういった基礎的な現象は必ず覚えておきましょう。

散見された誤答例も見てみましょう。
一見正しそうに見える解答でも、用語の定義としては誤りになる場合があります。

誤1　軌道電子が原子核外に放出される。

軌道電子は元々原子核の外にあるものですから、
電離によって原子核の外に存在しているわけではありません。

この「核」の一文字があるかないかで
かなり意味が変わってしまいます。

この間違え方は、毎年一定数います。

誤2　軌道電子が電子殻外に放出される。

一見良さそうですが、電子殻の外となると、
現在の電子殻から外側の電子殻に移動することも含むことになります。

そうなると、この現象は「励起」となります。

励起と電離は似て非なるものですので、注意してください。

詳しくは電離と励起の違いもご参照ください。

問2　「パウリの排他原理」を説明しなさい。

解答例

1つの原子において、
4つの量子数がすべて一致する組み合わせの電子は2つ存在することはできない
という原理。

解説

正答率66％と苦戦した方が多い設問でした。

ポイントは「1つの原子内で考える」ことと、「量子数の組み合わせ」の部分です。

トランプで考えると分かりやすいです。
トランプは「マーク」と「数字」という量子数で構成されているようなものです。

1組のトランプを考えてみてください。
自分のトランプにはハートのAは1枚しか入っていないですよね？
でも、友人のトランプの中にもハートのAはありますよね？

パウリの排他原理も同じです。

「同じ原子の中」で考える必要があります。
別の原子であれば、同じ量子数の組み合わせを持つ電子が存在しても問題ありません。

こちらも誤答例を見てみましょう。

誤1　1つの原子において、4つの質量数がすべて一致する組み合わせの電子は2つ存在することはできない。

油断して採点していると、見逃してしまいそうな部分です。

おそらく、本人は「量子数」と書いたつもりなのかも知れません。
うっかり「質量数」と書いてしまったんではないでしょうか。

と、フォローしておきます。

本来は、

• 主量子数
• 軌道量子数（方位量子数）
• 磁気量子数
• スピン量子数

の4つ量子数で性質が決まります。

電子には質量数はありませんからね。
そちらもお間違いなく。

誤2　1つの原子において、4つの量子数がほぼ一致する組み合わせの電子は2つ存在することはできない。

「すべて」ではなく、「ほぼ一致」ときましたか。笑

これもうっかり見落とすところでした。

さらに、これは僕の教員人生で初めて見る回答でした。
なのですが、数人いたんです。

と言うことは、誰かが間違ったまま仲間内に広めてしまったパターンですかね？

「ほぼ一致」はいけません。
「ほぼ一致」であれば、1つの原子内に存在することができます。

例えばこんな2つの電子。

スピン量子数以外は同じなので、量子数は「ほぼ一致」していますが、
この2つの電子は明確に別物です。
したがって、1つの原子内に存在すことができます。

パウリの排他原理では、「すべて一致」は存在できないことが重要になります。

問3　「後方散乱」を図と文章で説明しなさい。

解答例

放射線が元の進行方向に対して、90°以上の角度で散乱したもの。

※図はα線による後方散乱で、特別に「ラザフォード散乱」という別名称もある。

解説

問2に引き続き、正答率66％とやや苦戦した問題でした。

ポイントは角度に言及することです。
それから、図にもポイントがあります。

「90°未満」の場合は「側方散乱」となります。
しっかり「90°以上」と言及しましょう。

また、作図では、粒子放射線は直線で示します。
それに対し、電磁放射線（電磁波）は波線で示します。

ここではこんな誤答が見られました。

誤1　放射線が90°以上で反射したもの。

言いたいことは分かります。
実際に、「同じじゃん？」と思う方もいるかと思います。

ですが、「反射」と「散乱」は、まったく別の現象です。
いや、ちょっと似てはいるんですが・・・

「反射」は、
物質の境界面（表面）で跳ね返る現象です。

例えば、鏡に当たった光や超音波の反射などがあります。

それに対し「散乱」は、
物質の内部にある粒子や原子と相互作用して進行方向が変わる現象です。

例えば、コンプトン散乱、レイリー散乱などがあります。

つまり、向きが変わる場所が物質表面なのか、物質内部なのかという違いがあります。

問4　「制動放射」を図と文章で説明しなさい。

解答例

荷電粒子が原子核のクーロン力によって進行方向を曲げられて減速し、運動エネルギーの一部を失う。
失ったエネルギーが制動放射線となって原子外に放出される現象。

解説

制動放射は正解率84％でした。
安心しました。

我々放射線技師はこの現象のお世話になる職業です。
制動放射を説明できないようでは、放射線技師になる資格はありません。

ポイントは「荷電粒子」と「クーロン力」です。
図にも注意が必要です。

電場の影響で進行方向が曲がるには、放射線が電荷を持っていないといけません。
電荷のない粒子である中性子や、電磁波であるX線やγ線は電荷の影響を受けないので、
制動放射を起こすことはありません。

また、その荷電粒子を曲げる力はクーロン力です。
放物では「〇〇力」という用語が多く登場します。
クーロン力、ローレンツ力、交換力、核力、弱い力、強い力・・・
その中から正確に「クーロン力」を選ばなくてなりません。

図では、荷電粒子が曲がる方向に気を付けてください。
原子核は正の電荷（+の電荷）を持っています。
負の電荷（－の電荷）を持つ電子の場合は、原子核に近付く方向に曲がります。
その結果、運動エネルギーの一部を失います。

誤答例について

今回は特に目立った誤答は見られませんでした。

多くの方が「荷電粒子」「クーロン力」「減速」というポイントを押さえて解答できていました。

制動放射は我々にとって非常に重要な現象です。
今後も確実に説明できるようにしておきましょう。

問5　「粒子と波動の二重性」を説明しなさい。

解答例

粒子は粒子性だけでなく、波動性も併せ持つ。
波もまた波動性だけでなく、粒子性も併せ持つ。

解説

正解率76％でした。

少々切り口が難しかったようです。

誤答というほどではないのですが・・・
多かった例をご紹介しておきます。

誤1　粒子は粒子性だけでなく、波動性も併せ持つ。　又は　波は波動性だけでなく、粒子性も併せ持つ。のどちらか。

片方しか書いていないケースが多くみられました。

粒子も波も両方とも二重性を示します。

粒子と波動の二重性は量子力学の基本的な考え方です。

例えば電子は粒子として振る舞う一方で、
電子線回折のように波としての性質も示します。

また、X線は電磁波ですが、
光電効果では粒子（光子）として振る舞います。

問6　「1eVの定義」を説明しなさい。

解答例

電子1個を1Vの電位差で加速したときに得られる運動エネルギー。

解説

正解率81％でした。
例年、もう少し正解率は悪いのですが、今年は板書した甲斐がありました。

この定義が分かっていると、問9の計算問題の理解が深まります。
問6が書けなかった場合は、よく復習しておきましょう。

ここは特徴的な誤答が1つあります。
物理的な指摘ではないのですが・・・

誤1　電子1個が1Vの電位差で加速したときに得られる運動エネルギー。

日本語をよく読んでみてください。

スムーズに読めますか？
意味が正確に把握できますか？

「電子1個が」は主語です。
対応する述語は「運動エネルギー」です。
すると、
「電子1個が運動エネルギー」
となってしまい、意味が通りません。

「電子1個が」を活かすのであれば、
「電子1個が1Vの電位差で加速されたときに得られる運動エネルギー。」
としなければなりません。
これなら大丈夫です。

書いた文章はもう一度読み直して確認しましょう。
自分の文章は、思った以上に間違っているもんです。笑

問7　振動数 $ 6.0\times 10^{18} $ Hz の光子のエネルギー[ J ]を求めなさい。

解答例

求めるエネルギーをEとすると、

$$
\begin{aligned}
E&=hν\\[6pt]
&=6.6\times 10^{-34} \times 6.0 \times 10^{18} \\[6pt]
&=3.96 \times 10^{-15} \mathrm{[ J ]}
\end{aligned}
$$

解説

正解率は68％とソコソコでした。

光子のエネルギーを問う定番の問題であると同時に、
指数の理解も確認できるものです。

誤答ではありませんが、多かった例をご紹介します。

誤1 $ 39.6 \times 10^{-16} \mathrm{[ J ]}$

これ、多かったですね。

確かに間違いではありません。
間違いではないんですが、素直に正解にしたくないと言いましょうか・・・

数値表記のルールに、
$\times10^x$　の前は1.0以上、10未満の数字にする
と言うのがあります。

39.6ですと、その表記ルールを守れていないことになります。

細かいかもしれませんが、厳密にいくとこうなります。

今回は$ 39.6 \times 10^{-16} \mathrm{[ J ]}$も
10点満点をプレゼントしております。

ちなみに、原点例もあります。

誤2 $ 3.96 \times 10^{-16} \mathrm{[ J ]}$

これは先ほどとは事情が異なります。

数字があっているように感じますが、指数が異なりますので、
数値としては違う数値として扱います。

正解とは10倍の違いがありますから。

100円と1,000円では訳が違うでしょう。
1,000円のラーメンなら許せるけど、10,000円のラーメンはぼったくりでしょう？

そういうことです。

こういった、指数の部分だけ間違えちゃったパターンは
－1点もしくは－2点しています。
※この違いは途中式の流れで理解度を見て判断しています。

問8　波長 0.10 nm の光子のエネルギー [ J ] を求めなさい。

解答例

求めるエネルギーをEとすると、

$$
\begin{aligned}
E&=hν\\[6pt]
&=\frac{hc}{λ}\\[6pt]
&=\frac{6.6\times 10^{-34} \times 3.0 \times 10^8}{0.10 \times 10^{-9}} \\[6pt]
&=1.98 \times 10^{-15} \mathrm{[ J ]}
\end{aligned}
$$

解説

正答率は36％でした。
今回の試験で最も低い正答率です。

問7と同様に光子のエネルギーを問うものですが、
振動数ではなく、波長を用いた関係式を用いるのがポイントですね。

答案を見てみると、$ E=\frac{hc}{λ} $を思い出せない方も多かったですが、
もっとも多かったのは別です。

誤答例を紹介します。

誤1　$E=\frac{h}{λ}$ として計算する。

本来、$E=\frac{h}{λ}$　こういう関係式はありません。
正しくは、$p=\frac{h}{λ}$　です。

つまり、エネルギーを求めているつもりで、運動量を求めてしまっているパターンです。

この運動量パターンの方、かなり多かったです。

問9 $ 3.2 \times 10^{-19} $ C の電荷を持つ粒子を 2 MV の電圧で加速したときに得られるエネルギーを [ J ] と [MeV] の両方で求めなさい。

解答例

まずは J から求めます。

求めるエネルギーをEとすると、

$$
\begin{aligned}
E&=qV\\[6pt]
&=3.2\times 10^{-19} \times 2.0 \times 10^{6} \\[6pt]
&=6.4 \times 10^{-13} \mathrm{[ J ]}
\end{aligned}
$$

一方、MeVでは、

$$
\begin{aligned}
E&=\frac{q}{e} V \\[6pt]
&=\frac{3.2\times 10^{-19}}{1.6\times 10^{-19}} \times 2.0 \times 10^{6}\\[6pt]
&=4 \times 10^{6} \mathrm{[eV]} \\[6pt]
&=4 \mathrm{[MeV]}
\end{aligned}
$$

解説

正答率は55％でした。

今度は同じエネルギーでも粒子のエネルギーを2種類の単位で求める問題です。

加速粒子の電荷をどう表現するかで単位が変わります。
電荷 C をそのまま使うと J 単位のエネルギーが求められ、
電荷を電気素量（素電荷量）の何倍かという表現にすると eV 単位のエネルギーが求められます。

散見された誤答例を紹介しておきます。

誤1　2MVを $ 2 \times 10^{3} $ Vにしている。

少数ですが、何人かいました。

$$
\begin{aligned}
E&=qV\\[6pt]
&=3.2\times 10^{-19} \times 2.0 \times 10^{3} \\[6pt]
&=6.4 \times 10^{-16} \mathrm{[ J ]}
\end{aligned}
$$

当然、eVの方も間違うことになります。

原因は接頭語のM（メガ）に認識ミス。
Mは10⁶です。
10³はk（キロ）ですね。

誤2　Jを求めるときに　$ E=\frac{q}{e} V $　の関係式を使用している。

こちらも多くはありませんでしたが、数名いました。

$$
\begin{aligned}
E&=\frac{q}{e} V \\[6pt]
&=\frac{3.2\times 10^{-19}}{1.6\times 10^{-19}} \times 2.0 \times 10^{6}\\[6pt]
&=4 \times 10^{6} \mathrm{[J]} \\[6pt]
&=4 \mathrm{[MJ]}
\end{aligned}
$$

となりますから、eVにするには、これを電気素量で除すことになります。
すると、

$$
\begin{aligned}
E&=\frac{4 \times 10^{6} }{1.6\times 10^{-19}} V \\[6pt]
&= 2.5 \times 10^{13} \mathrm{[eV]} \\[6pt]
&=2.5 \times 10^7 \mathrm{[MeV]}
\end{aligned}
$$

となってしまい、
1個の粒子に与えたエネルギーとしては、とんでもなく大きい数字になってしまいます。

問10　光速の60％の速度で運動している電子の全エネルギーは質量エネルギーの何倍か求めなさい。

解答例

全エネルギーをE、質量エネルギーをmc²とすると、求める倍数は$ \frac{E}{mc^2}$と表現でき、ローレンツ因子 $ γ $ と等しくなる。

$$
\begin{aligned}
\frac{E}{mc^2} &= \gamma \\[12pt]
&=\frac{1}{\sqrt{1 – \left( \frac{v}{c} \right)^2}} \\[12pt]
&= \frac{1}{\sqrt{1 – \left( \frac{0.6c}{c} \right)^2}} \\[12pt]
&= \frac{1}{\sqrt{1 – 0.36}} \\[12pt]
&= \frac{1}{\sqrt{0.64}} \\[12pt]
&= \frac{1}{0.8} \\[12pt]
&= 1.25
\end{aligned}
$$

したがって、1.25倍となる。

解説

正答率は81％でした。
これは例年になく高い正答率です。

講義でも演習しましたし、小テストにも形を変えて出しましたから
刷り込み学習の効果とでも言いましょうか。

でも、安心できません。

ウソだろ？
と思うほどパターン化した誤答例がありましたので、ご紹介します。

誤1　分数と平方根（ルート）の合わせ技で手を抜いた表記をするとこうなる。

$$
\begin{aligned}
\frac{E}{mc^2} &= \gamma \\[12pt]
&=\frac{1}{\sqrt{1 – \left( \frac{v}{c} \right)^2}} \\[12pt]
&= \frac{1}{\sqrt{1 – \left( \frac{0.6c}{c} \right)^2}} \\[12pt]
&= \sqrt{1 – 0.36} \\[12pt]
&= \sqrt{0.64} \\[12pt]
&= 0.8
\end{aligned}
$$

どこからおかしくなったか分かりますか？

こういうデジタル表記だと気付くと思いますが、
手書きの答案だと、間違いに気付きにくいものです。

本来分母側にあるはずの平方根がいつの間にか分子側に来てしまっているんです。
おそらく、式変形が長くて、〇分の1の1を書くのが面倒になって、
省略したんだと思います。

それで、本来分母だった平方根の部分だけを書いているうちに、
分母だったことを忘れたんだと思います。

僕が出題でひっかけようと思わなくても、
皆さん自らの字の汚さ・表記の汚さで勝手につまづきます。

問題なのは、これが1名ではないこと。
何人かいました。

まとめ

今回の中間試験では、

• 用語の定義
• 現象の理解
• 単位
• 数式の扱い方

などを確認しました。

正答率の高い問題もありましたが、思わぬところで失点しているケースも多く見られました。

試験は「できた・できなかった」を確認するだけでなく、自分の弱点を見つけるためのものでもあります。

今回の解説を参考に、期末試験へ向けて復習しておきましょう。

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

The post 2026年度　放射線物理学Ⅰ　中間試験　解説 first appeared on 勉強嫌いの放物.

「複数の粒子がくっつくと、なぜか質量が減っている」
教科書でそんな記述を読んで、なんで？ってなったことはありませんか？
「え？ 合体したのに質量が減るって、どういうこと？」と思った方も多いはずです。

この記事では、「なぜ原子核が結合すると軽くなるのか？」という疑問に、お答えしていきます。

鍵となるのは「質量欠損」という現象と、そこから生まれる「結合エネルギー」。
重さが消えるのではなく、エネルギーとして姿を変える――そんな現象が起きているんです。

高校物理では扱わないこの不思議な現象、放射線技師として働くうえで必要な「原子核レベルの現象理解」においてはとても重要です。

それでは、見ていきましょう。

原子核が「軽くなる」ってどういうこと？

原子核を作るとき、どうして質量がちょっと減るのでしょうか？
「軽くなる」って、一体どういうことなのかを見ていきましょう。

「結合」したはずなのに、なぜ質量が減る？

バラバラの陽子や中性子を集めて原子核を作ると、本来はその合計が「全部足しただけの質量」になるはずですよね。
ところが、実際にできた原子核の質量を測ると、なぜかちょっとだけ軽くなっているんです。

たとえばヘリウムの原子核は、陽子2個と中性子2個で構成されています。
でもそれぞれを単体で測った質量を足し合わせたより、できあがったヘリウム原子核は少しだけ質量が少ないんです。

この「どこかへ行ってしまった質量」が、次のカギになります。

オレの体重が100kgやろ。
たなまる先生の体重を120kgとして考えると・・・

ちょっと待てぃ！
なんで私の方が重い設定なんだ？
85kgにしといて～。

本来ならお二人の合計は・・・
100kg+85kgで185kgにならないといけない。
でもなぜか185kgよりも軽くなっちゃうってことね。

そうなんだ。
例えば、合計が180kgだった場合は、5kgはどこ行った？ってことになる。
その理由を見ていこう。

質量が減る＝エネルギーに変わっている！

「質量が減るなんておかしい」と思うかもしれませんが、安心してください。
消えたわけではなく、エネルギーに変わって放出されていたんです。

原子核ができるとき、「安定した状態」になるためにエネルギーを放出します。
この放出されたエネルギーのぶんだけ、質量が軽くなる。
これがまさにアインシュタインの有名な「質量とエネルギーの等価性（E = mc²）」という考え方なんです。

「エネルギーに変わって放出されていた」とは言いましたが、エネルギーがどっかに飛んで行ってしまったわけではありません。

それぞれの粒子の軽くなってしまった質量を使って、粒子同士が結合しているんです。
図で見てみると分かりやすいかもしれません。

こんな感じでしょうか。
イメージはできましたか？

この現象を「質量欠損」と呼ぶ

このように、原子核ができるときに失われたように見える質量のことを「質量欠損」といいます。

国家試験に頻繁に登場する文言としては
「原子の質量はそれを構成するそれぞれの粒子の質量の総和より小さい」
というものがあります。
質量欠損を説明する重要な文言ですから、覚えておいてくださいね。

すべての安定な原子核に共通する現象で、安定な核ほど質量欠損は大きいのが特徴です。
つまり、「どれだけのエネルギーを放出して安定になったか」を、この質量の差で表しているんですね。

減った質量はどこへ？正体は「結合エネルギー」！

原子核ができるときに減った質量が、どんなエネルギーに変わったのか？
その正体を「結合エネルギー」という視点から見ていきましょう。

結合エネルギーは「核をバラバラにするのに必要な力」

原子核ができるとき、粒子が結合して「質量が減る」現象が起きます。
このとき減った質量は、エネルギーに変わって放出されています。
この質量欠損をエネルギーに換算したものを結合エネルギーと呼びます。

では、結合エネルギーとは何か？

それは一言で言えば、原子核をバラバラにするために必要なエネルギーです。

たとえば、できあがった原子核をもう一度、バラバラの陽子や中性子に戻そうとするとき。このときは外からエネルギーを与えないといけません。なぜなら、強い力で引きつけ合っている核子同士を引き離すには、かなりのエネルギーが必要だからです。

つまり、原子核の中に閉じ込められているエネルギーを「引きはがす」ためには、そのぶんの結合エネルギーと同じだけの力をかける必要がある、ということなんですね。

質量欠損をエネルギーに換算する式：ΔMc²

原子核は、陽子や中性子が集まってできています。
でも、これらをすべて足し算した質量と、実際の原子核の質量を比べると……あれ？ ちょっと軽い？

この「消えた質量」のことが 、質量欠損 でしたね。
でも、この質量、どこかに消えてしまったわけではありません。

これを国試によく出る文言で示すと

「原子の質量はそれを構成するそれぞれの粒子の質量の総和より小さい。」

という表現になります。この文言を見かけたら、
「あっ！質量欠損のことを言っているな！」
と思わなければなりません。

アインシュタインの有名な式 $ E=mc^2 $によれば、質量はエネルギーに変わる のです。

バラバラのときの質量の合計からくっついたときの質量を引くと、どれだけ軽くなったかが分かりますよね。

その軽くなった分をエネルギーに換算していきます。

$$
\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
E&=⊿mc^2\\
&=（バラバラのときの質量の合計-くっついたときの質量）c^2
\end{aligned}
}}$$

つまり、原子核ができるときに発生する「質量の減り」は、「結合エネルギー」として放出されていたのです。

この 結合エネルギー は、原子核をしっかりまとめる“のり”のような存在。
原子核をバラバラにするには、このエネルギーと同じぶんの力を外から与えないといけません。

結合エネルギーのグラフが教えてくれること

核子たちは、お互いに「中間子」という粒子をやり取りしながら強く引き合っています。
このやり取りによって、原子核はひとつのまとまりとして存在できているのです。

この「中間子のやり取り」こそが、核子同士を結びつける強い力＝結合エネルギーの正体なんですね。

詳しくはA18：核力ってなに？荷電独立性も解説でお話ししましょう。

核子1個あたりの結合エネルギーとは？

結合エネルギーとは、原子核を構成する陽子や中性子（これらをまとめて「核子」と呼ぶんでしたよね。）をバラバラにするのに必要なエネルギーです。
つまり、原子核がどれだけしっかりまとまっているかを示す目安になります。

ところが、原子核は元素によって大きさが違います。
小さなヘリウム核と、大きなウラン核では、核子の数も結合エネルギーの合計も当然異なります。
そこで便利なのが、「核子1個あたりの結合エネルギー」という指標です。

これは、原子核全体の結合エネルギーを、中に含まれる核子の数で割ったもの。
こうすることで、大きさの違う原子核同士でも、どれだけ「しっかりまとまっているか（安定しているか）」を公平に比較できるようになるのです。

アメ玉を1粒買うか、
100個入りの大袋で買うかで単価が違う
ってのに似てるな。

えっ！
牛助が本質をついた例えをしてる。
まさにその通りなんだよ。
その単価を比較することで原子核の安定度を見ているんだ。

この「1個あたり」に換算する考え方が、グラフを正しく読み解く鍵になります。

核子1個あたりの結合エネルギーを数値化してみる

原子核の結合エネルギーの合計値を核子の数で除したものです。
これがそこそこ国家試験に出るのです。

核子1個あたりの結合エネルギーは⁵⁶Feが最も高くなり　8.8MeV　にもなります。
質量数12以降の平均値は　8.0MeV　です。
質量数12以前は変化が大きいので平均値の算出からは除外されています。

なぜ⁵⁶Feで最大値になるのか。
疑問に思った方はいませんか？
こういうところに疑問を持つか、聞き流すかで理解度に差が生まれると思っています。

質量数56までは、核子が増えるごとに結合エネルギーが優位に増加していきます。
質量数56以降は事情が変わります。
結合エネルギー自体は増加するのですが、同時にあるものも増えていきます。

それは・・・

陽子同士のクーロン斥力です。

くっつこうとする結合エネルギーの増加に対して、離れようとするクーロン斥力の増加の方が多くなってしまうのです。

したがって核子1個あたりの結合エネルギーが低下してしまいます。

「鉄」あたりがいちばん安定な理由

結合エネルギーのグラフを見ると、鉄（Fe）やニッケル（Ni）あたりの原子核が、核子1個あたりの結合エネルギーが最大となっています。
これはつまり、それ以上強くは結びつけられないほど、がっちりまとまっているということです。

なぜこのあたりが最も安定するのか。
それは、静電気による斥力（陽子同士が反発し合う力）と、強い核力（核子同士を引きつける力）とのバランスが最もよく取れているからです。

陽子が少なすぎると引きつけ合う力が弱く、陽子が多すぎると反発し合う力が大きくなり、どちらも不安定になります。
そのちょうどよいバランス点が、鉄やニッケルあたりの中くらいの原子核なのです。

バランスが大事なのね。

このグラフが示す、核分裂と核融合の本質

先ほどのグラフ（核子1個あたりの結合エネルギー vs 質量数）を見ると、山のようなカーブを描いて「鉄（質量数56あたり）」でピークを迎えていることが分かります。

そしてこの形こそが、核融合と核分裂の両方でエネルギーが取り出せる理由を視覚的に示してくれています。

たとえば、鉄より左側（＝軽い元素）のあたりを見ると、1個あたりの結合エネルギーはまだまだ低め。
この領域の原子核どうしがくっついて、より重い原子核になる（＝核融合）と、結合エネルギーが増えます。
つまり、「結びつきが強くなる」＝「安定する」ことを意味し、その差分がエネルギーとして放出されるわけです。

逆に、鉄より右側（＝重い元素）では、核子1個あたりの結合エネルギーが少しずつ下がっています。
この領域の重い原子核がバラバラに割れて、より軽い原子核に分かれる（＝核分裂）と、やはり結合エネルギーが増えます。
つまりこちらも「安定する方向」への変化となり、差分のエネルギーが放出されるのです。

要するに、このグラフの両端から「鉄のあたり」へ向かって変化すればするほど、エネルギーが出るという構造になっているんです。

これが、核融合（軽い原子がくっつく）でも、核分裂（重い原子が割れる）でも、
どちらでもエネルギーを取り出せるという仕組みの「本質」なんです。

実際の問題を見ていきましょう。

第68回　2016年　PM70
核子1個当たりの平均結合エネルギーが最も大きいのはどれか。

1. 　${}^{4}\mathrm{He}$
2. 　${}^{12}\mathrm{C}$
3. 　${}^{24}\mathrm{Mg}$
4. 　${}^{56}\mathrm{Fe}$
5. 　${}^{226}\mathrm{Ra}$

いかがでしょうか？

医療現場での関わり

医療現場で「質量欠損そのもの」を直接意識する場面はあまりありませんが、実は放射線に関わるいろいろな現象の根っこにこの考え方が関係しています。

核医学検査の場合（RIの壊変）

たとえば、PET検査で使われる ${}^{18}\mathrm{F}$ や、骨シンチで使われる ${}^{99m}\mathrm{Tc}$ といった放射性同位元素（RI）は、壊変することで放射線を出します。

このときに放出されるエネルギー（γ線やβ線など）は、壊変前後の質量の差――つまり質量欠損から生じたエネルギーです。
だから、壊変で出てくる放射線の「量」や「強さ」には、実は質量の変化が関わっているんですね。

放射線治療の場合（粒子線と核反応）

陽子線治療や重粒子線治療のように、加速した粒子を体内に打ち込む治療では、体内の原子核との核反応が起こることがあります。

このときにも、反応の前後で質量にわずかな違いが生じ、その分のエネルギーが放出されることがあります。
これも、広い意味で言えば「質量欠損」が関係している現象です。

まとめ

今回は、質量欠損と結合エネルギーの関係について学びました。
一見不思議に思える「原子核になると質量が減る」という現象も、質量がエネルギーへ変換されていると考えれば納得できますね。振り返って整理しておきましょう。

• 原子核ができると、構成する陽子や中性子の質量の合計よりも実際の質量は小さくなる。
• この質量の差を質量欠損という。
• 減った質量は E＝Δmc² に従ってエネルギーへ変換され、そのエネルギーを結合エネルギーという。
• 結合エネルギーは、原子核をバラバラにするために必要なエネルギーでもある。
• 核子1個あたりの結合エネルギーは ⁵⁶Fe が最大で、最も安定な原子核として知られている。
• 結合エネルギーのグラフを見ると、核融合でも核分裂でもエネルギーが取り出せる理由が理解できる。

たなまる「質量が消えたのではなく、『エネルギーに姿を変えた』と考えると、質量欠損はぐっと理解しやすくなるよ！」

質量が消えたのではなく、
「エネルギーに姿を変えた」と考えると、
質量欠損は理解しやすくなるよ！

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この記事を書いた人

たなまる
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診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

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