問1
ある放射性同位元素 10 TBq は 1 年後 1 TBq に減衰した。それから 10 年後の放射能として最も近い値は、次のうちどれか。
1 100 GBq
2 10 GBq
3 10 kBq
4 100 Bq
5 1 Bq 以下
解答 4
ある放射性同位元素の経過時間毎の放射能をそれぞれ A(0)、A(1Y)、A(11Y)。半減期を T 年とすると、A(1Y) = A(0)・(1/2)^(t/T) より 1 = 10・(1/2)^(t/T) 1/10 = (1/2)^(t/T)・・・① また、A(11Y) = A(1Y)・(1/2)^(10/T) = [(1/2)^(1/T)]^10。①より A(11Y) = (1/10)^10 = 1 × 10^(-10)[TBq] = 100[Bq]
問2
次のうち、放射性核種を含まない組み合わせはどれか。
A 11C, 12C, 13C
B 13N, 14N, 15N
C 16O, 17O, 18O
D 19F, 27Al, 31P
1 AとB 2 AとD 3 BとC 4 BとD 5 CとD
解答 4
安定核種の質量数を下に示す。他の安定同位体の質量数は私のまとめた資料に記載してますので、是非ご購入を。
12C , 13C
14N, 15N
16O, 17O, 18O
19F
27Al
31P
問3
次の放射性核種の組み合わせのうち、寿命が長い核種の半減期が、寿命が短い核種の半減期の2倍以内であるものはどれか。
1 3H と 35S
2 15O と 18F
3 60Co と 63Ni
4 90Sr と 137Cs
5 123I と 125I
解答 4
1 誤 3H と 35S・・・3H：半減期 12.33 年、35S：半減期 85.51 日 → 51.5 倍
2 誤 15O と 18F・・・15O：半減期 2.037 分、18F：半減期 109.8 分 → 53.9 倍
3 誤 60Co と 63Ni・・・60Co：半減期 5.271 年、63Ni：半減期 100.1 年 → 19.0 倍
4 正 90Sr と 137Cs・・・90Sr：半減期 28.74 年、137Cs：半減期 30.04 年 → 1.05 倍
5 誤 123I と 125I・・・123I：半減期 13.27 時間、125I：半減期 59.4 日 → 107 倍
問4
炭素 120 g 中に 14C が 3.9 Bq 含まれている。この場合の 14C と 12C の原子数比 14C/12C として最も近い値は、次のうちどれか。なお、14C の半減期は 5730 年(1.8 × 10^11秒)、12C の同位体存在度は 99%、アボガドロ定数は 6.0 × 10^23 mol^(-1) とする。
1 1.7 × 10^(-14)
2 1.7 × 10^(-13)
3 2.0 × 10^(-12)
4 1.7 × 10^(-11)
5 2.0 × 10^(-10)
解答 2
14C の放射能を A(14C)、原子数を N(14C) とすると、A(14C) = λN = (ln2/T(14C)) × N(14C) N(14C) = [A(14C)×T(14C)]/ln2。14C の放射能は、3.9 Bq、半減期は 1.8 × 10^11 秒であるから、 N(14C) = (3.9×1.8×10^11)/0.693 ≒ 1.0 × 10^12。一方、12C の原子数を N(12C)、質量数 M、質量を W とする。N(12C) = (W/M) × 6.0 × 10^23 = (120/12) × 6.0 × 10^23 = 6.0 × 10^24。よって、原子数比は、 N(14C)/N(12C) = (1.0 × 10^12)/(6.0 × 10^24) = 1.66 × 10^(-13) ≒ 1.7 × 10^(-13)
問5
1 GBq の無担体 32P の質量(g) として最も近い値は、次のうちどれか。ただし、32P の半減期は 14 日(1.2 × 10^6秒)、アボガドロ定数は 6.0 × 10^23 mol^(-1)とする。
1 4.5 × 10^(-9)
2 9.2 × 10^(-8)
3 4.5 × 10^(-8)
4 9.2 × 10^(-7)
5 4.5 × 10^(-6)
解答 2
A = λN = (0.693/T) × (W/M) × 6.0 × 10^23 1.0 × 10^9 = [0.693/(1.2×10^6)] × (W/32) × 6.0 × 10^23 W = 9.23 × 10^(-8) [g]
問6
次の逐次壊変において、放射平衡が成立することがないのはどれか。なお、( )内は壊変様式と半減期を示す。
1 28Mg (β- , 20.9h) → 28Al (β- , 2.24m) →
2 68Ge (EC , 271d) → 68Ga (EC + β+ , 67.6m) →
3 87Y (EC , 79.8h) → 87mSr (IT , 2.80h) →
4 132Te (β- , 3.20d) → 132I (β- , 2.30h) →
5 143Ce (β- , 33.1h) → 143Pr (β- , 13.6d) →
解答 5
親核種の半減期が娘核種の半減期より短い時には放射平衡は成立しない。
問7
次のウラン系列に関する記述のうち、正しいものの組み合わせはどれか。
A 234U が生成する。
B 230Th がα壊変して 226Ra となる。
C 210Po が生成する。
D 最終の安定核種は 208Pb である。
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 1
ウラン系列は 238U → 206Pb(安定) α壊変 8 回、β-壊変 6 回 である。
問8
放射性核種の経時変化に関する次の記述のうち、正しいものはどれか。
1 60mCo(半減期10.5分)から生成する 60Co(半減期5.27年)の放射能は、十分に時間が経過すると、半減期 10.5 分で減衰する。
2 99Mo(半減期65.9時間)から生成する 99mTc(半減期6.01時間)の放射能は、十分に時間が経過すると、半減期6.01時間で減衰する。
3 226Ra(半減期1600年)から生成する 222Rn(半減期3.82日)の放射能は、十分に時間が経過すると、226Raの放射能の2倍となる。
4 68Ge(半減期271日)から生成する無担体の 68Ga(半減期67.6分)の比放射能は、常に一定である。
5 64Cu(半減期12.7時間)から生成する 64Ni(安定)及び 64Zn(安定)の生成速度は、常に等しい。
解答 4
1 誤 親核種の半減期が娘核種の半減期より短い時には放射平衡は成立しないため、ここでは放射平衡が成立しない。また、60Co は半減期 5.27 年で減衰する。
2 誤 娘核種(99mTc)は」、半減期の 7 ~ 10 倍程度経過すると過度平衡が成立して、親核種(99Mo)と同様に減衰する。
3 誤 親核種(226Ra)の半減期が非常に長いため、娘核種の半減期(222Rn)の半減期の 10 倍程度で永続平衡が成立する。親核種と娘核種の放射能の比は 1 (λ1N1 = λ2N2)となる。
4 正 親核種(68Ge)と娘核種(68Ga)の半減期は 10 倍以上違うため、永続平衡が成立する。したがって親核種と娘核種の放射能の比は 1 (λ1N1 = λ2N2)となり、常に一定となる。
5 誤 64Cu から 64Ni 及び 64Zn の生成は分岐壊変であり、それぞれ異なる分岐比をもち、その生成速度は異なる。
問9
次の核反応において、標的核と生成核の原子番号が 2 以上異なるものの組み合わせはどれか。
A (α , p2n)
B (n , α)
C (p , 3p2n)
D (d , n)
1 AとB 2 AとC 3 AとD 4 BとC 5 BとD
解答 4
標的核の原子番号を Z とすると、生成核の原子番号は
A 誤 Z + (2) – ((1) + 2 ×(0)) = Z + 1
B 正 Z + (0) – (2) = Z – 2
C 正 Z + (1) – (3 × (1) + 2 × (0)) = Z – 2
D 誤 Z + (1) – (0) = Z + 1
問10
サイクロトロンによる荷電粒子放射化分析で、炭素を分析するために利用できる核反応は、次のうちどれか。
1 12C(p , n)
2 12C(d , n)
3 12C(α , p)
4 13C(α , n)
5 13C(p , α)
解答 2
荷電粒子放射化分析は、高エネルギーのイオンを照射して生成する放射性核種の放射線を計測して元素を定量する分析法である。荷電粒子としては、陽子(p)、重粒子(d)、3He あるいは 4He(α粒子)が用いられる。 軽元素に対して感度が高く、特に B、C、N 及び O の定量に使用されている。用いられる核反応には、11B(p , h)11C、12C(3He , α)11C、10B(d , n)11C、14N(p, α)11C、12C(d , n)13N、16O(3He , p)18F がある。
問11
A 77As
B 99Mo
C 111Ag
D 131I
E 156Eu
解答 3
235U の熱中性子による核分裂では、亜鉛の RI の 72Zn からテルビウムの RI の 161Tb まで、原子番号でいえば 30 から 65 まで色々な元素の RI を含む。これらを核分裂生成物と呼び、質量数 95、 138 付近に核分裂収率の極大(核分裂収率は約 6%)があり、極小は質量数 118(核分裂収率は 0.009%)くらいである。したがって、極大付近の質量数を持つ核種の収率が高いと考える。
核分裂収率[235U(n , f)]
77As：0.00796 % 99Mo：6.11 % 111Ag：0.0174 % 131I：2.89 % 136Eu：0.0149 %
問12
次の操作のうち、放射性気体が発生するのはどれか。
A 3H で標識された NH4(Cl) に Ca(OH)2 を混合して加熱する。
B 14C で標識された CaCO3 を塩酸に加える。
C 32P で標識された Ca(PO4)2 を硫酸に加える。
D 35S で標識された FeS を硫酸に加える。
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 2
A 正 2・N[3H]4(Cl) + Ca(OH)2 → CaCl2 +2・[3H]HO + 2・N[3H]3 ↑
B 正 Ca[14C]O3 + 2・HCl → BaCl2 + H2O + [14C]O2 ↑
C 誤 Ca3([32P]O4)2 + 2・H2SO4 → Ca(H2[32P]O4)2 + 2・CaSO4
D 正 Fe[35S] + H2SO4 → FeSO4 + H2[35S] ↑
問13
熱中性子によるラジオアイソトープの製造法について、以下のように照射ターゲットと核反応を選んだ時、下記のラジオアイソトープが得られる組み合わせはどれか。
<照射ターゲット> <核反応> <ラジオアイソトープ>
A 酸化リチウム (n , α) 3H
B 窒化アルミニウム (n , p) 14C
C 硫黄 (n , p) 32P
D 二酸化ウラン 核分裂 90Sr
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 5
A 正 6Li(n , α)3H
B 正 14N(n , p)14C
C 正 32S(n , p)32S
D 正 235U の熱中性子による核分裂では 80 種以上の核分裂片が生じ、その質量数はおよそ 72 ~ 160 である。90Sr は核分裂収率の高い核分裂生成物として著名なものの一つである。
問14
次の操作により、110mAg 標識の AgNO3 の水溶液(0.1mol/l) から 110mAg が沈殿するのはどれか。ただし、加える溶液の濃度はいずれも 0.1mol/l とする。
A 希塩酸を加える。
B 硝酸ナトリウム水溶液を加える。
C 水酸化ナトリウム水溶液を加える。
D 塩化アンモニウム水溶液を加える。
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 3
A 正 希塩酸を加える。・・・Ag+ + Cl- → AgCl ↓ (白色沈殿)
B 誤 硝酸ナトリウム水溶液を加える。・・・反応なし
C 正 水酸化ナトリウム水溶液を加える。・・・2・Ag+ + 2・OH- → Ag2O ↓ +H2O 酸化銀(暗赤色沈殿)を生じる。
D 正 塩化アンモニウム水溶液を加える。・・・Ag+ + NO3- + NH4+ + Cl- → AgCl ↓ + NH4+ + NO3-
問15
水溶液中の Cl- の量を測定するのに、110mAg で標識された硝酸銀水溶液の過剰の一定量を加えて110mAgCl の沈殿を生成させる方法がある。Cl-の定量に関して述べた以下の記述のうち、正しい組み合わせはどれか。
A 他に Br- が共存していても影響しない。
B 他に ClO4- が共存していても影響しない。
C 生成した AgCl の一部分を分離して、その放射能を測定することにより Cl- の量を求めることができる。
D 生成した AgCl を除去した溶液中に残る放射能を測定することにより Cl- の量を求めることができる。
1 AとB 2 AとC 3 AとD 4 BとC 5 BとD
解答 5
A 誤 Br- + 110mAgNO3 → 110mAgBr ↓ + NO3-
B 正 AgClO4 の溶解度は大きいため溶液中に残る。したがって、Cl- の定量には影響しない。
C 誤 一部分を分離して、放射能を測定するだけでは定量できない。
D 正 Cl- + 110mAgNO3 → 110mAgCl ↓ + NO3- 硝酸銀水溶液を一定量加えるので、過剰量分の放射能を測定すると定量できる。
問16
次の核種のうち、水酸化鉄共沈法で共沈しないものはどれか。
1 22Na
2 60Co
3 65Zn
4 90Y
5 140La
解答 1
問17
ラジオコロイド(RC)に関する次の記述のうち、正しい組み合わせはどれか。
A 無担体の 140La の水溶液にアンモニア水を加えてアルカリ性とした後、ろ紙に通すと 140La がろ紙に捕集される。
B 直径が 1 ~ 100 nm 程度の分散粒子である。
C 水溶液の pH が 7 よりも 2 のほうが、RC は生成しやすい。
D 長期間静置した溶液中の RC は、均一に分布する。
1 AとB 2 AとC 3 AとD 4 BとC 5 BとD
解答 1
A 正 アンモニア水を加えるとラジオコロイドである La(OH)3 が生じ、ろ過すると 140La はろ紙上に残る。
B 正 直径が 10^(-7) から 10^(-5) (1 ~ 100 nm) 程度の粒子が分散している溶液をコロイド溶液といい、その粒子をコロイド粒子と呼ぶ。さらに非常に低濃度で生成する放射性のコロイド状物質をラジオコロイド(RC)という。
C 誤 ラジオコロイドは、水酸化物の生成する中性からアルカリ性で生成しやすい。
D 誤 ラジオコロイドが生成し放置している間に静かに沈降する。RIの希釈溶液では、よく見られるので、長時間保存していた希釈溶液の仕様にあたっては注意を要する。少量の酸をラジオコロイド溶液に加えてイオン溶液に変え、適切な錯化剤を加えて アルカリ溶液を滴下して pH を上げると錯形成し均一溶液となる。
問18
500 kBq の35SO4(2-) を含む 0.1 mol/l 硫酸ナトリウム水溶液 200 ml から 35S を除去する目的で、塩化バリウム水溶液を加えて硫酸イオンを硫酸バリウム(BaSO4)として沈殿させた。これをろ過乾燥させて得られる[35S]硫酸バリウムの比放射能 (kBq/g)に最も近い値は、次のうちどれか。
ただし、BaSO4 の式量を 233 とする。
1 5.4
2 22
3 110
4 220
5 540
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 3
Na2[35S]O4 + BaCl2 → Ba[35S]O4 ↓ + 2・NaCl 0.1mol/l 硫酸ナトリウム水溶液 200 ml なので、0.1 × 200 × 10^(-3) = 200 × 10^(-4) mol。200 × 10^(-4) molの BaSO4 が生成し、200 × 10^(-4) = w/233 よって、w = 4.66 g となる。 500 kBq の35SO4(2-) がすべて沈殿したとすると、500[kBq]/4.66[g] ≒ 110[kBq/g] となる。
問19
水溶液中にイオンとして存在する放射性核種の有機相への溶媒抽出法に関する次の記述のうち、正しいものはどれか。
1 有機溶媒によってイオンの酸化数が変化することを利用する分離方法である。
2 イオンの抽出速度が遅いので、通常は 1 時間以上激しく撹拌する必要がある。
3 イオンとキレート化剤から生成する中性の錯体が抽出される。
4 アセトンやエタノールも抽出溶媒として利用できる。
5 比重が 1 より大きい有機溶媒は利用できない。
解答 3
1 誤 イオンの酸化数の変化を利用するものではない。
2 誤 イオンの抽出速度は速い。
3 正 溶媒抽出法は液体ー液体間の放射性核種の分配平衡を利用した分離法で、水溶液中に電気的に中性の分子を形成させ抽出する。
4 誤 アセトンやエタノールは水と混じり合うため抽出溶媒として適さない。
5 誤 代表的な抽出溶媒である四塩化炭素は水よりも重い。
問20
100 ml の水相中にあるラジオアイソトープ(RI)を 100 ml の有機相に溶媒抽出すると 90% が抽出された。水相に残った RI をもう一度新たな 100 ml 有機相で溶媒抽出すると、2 回分を合わせて何% のRIが有機相に抽出されるか。最も近い値は、次のうちどれか。
1 91
2 92
3 94
4 96
5 99
解答 5
有機相と水相への放射性核種の分配を示す数値を分配比 D という。D = C(0)/C(w) [C(0)：有機相中の放射性核種全濃度、C(w)：水相中の放射性核種全濃度、さらに、V(w)とV(0) をそれぞれ水相と有機相の容量とすると、 有機相への抽出率 E は、E = D/[D+(V(w)/V(0))]。ここで、V(w) = V(0) = 100 ml より、E = D/(D+1) = 0.90 よって D = 9。したがって、有機相：水相は 9：1 に分配される。最初の水相中の RI を A[Bq] とすると、有機相に抽出された分は、1 回目 0.90A、 2 回目 0.90(A – 0.90A) = 0.09A、よって2 回分を合わせた抽出割合は、(0.90A + 0.09A)/A × 100 = 99%
問21
ラジオアイソトープ(RI)のトレーサー利用に関する次の記述のうち、正しいものの組み合わせはどれか。
A 3H を水素のトレーサーとして用いると同位体効果はない。
B 用いる RI の同位体交換反応速度が大きいことが必要である。
C 用いる RI の原子価を、対象とするイオンの原子価にそろえる。
D 比放射能の高い標識化合物を用いる時は、自己放射線分解に注意する。
1 AとB 2 AとC 3 BとC 4 BとD 5 CとD
解答 5
A 誤 原子番号 1 の水素のうち質量数 1 の 1H、2 の 2H(重水素)、3 の 3H(トリチウム) の間では、質量数が大きく異なるので同位体効果も大きい。
B 誤 トレーサとして用いる RI は同位体交換速度が実験期間中、無視できるほど小さくなければならない。
C 正 トレーサと追跡されるものとが、異なる酸化状態にあるので、両者の酸化状態を揃えるために、適切な酸化剤や還元剤を加える必要がある。
D 正 比放射能の高い標識化合物はそれ自身、放射線効果などによって分解しているおそれがあるので、その放射化学的純度を調べる必要がある。
問22
同位体希釈法(逆希釈法)で混合物試料中の化合物Aを定量した。Aの比放射能は 700 dpm/mg である。この試料に非放射能の化合物Aを 25 mg を加えて完全に混合した後、一部を純粋に分離したところ、その比放射能は 70 dpm/mg となった。混合物試料中の化合物A の量(mg) として最も近い値は次のうちどれか。
1 0.1 以下
2 0.6
3 1.7
4 2.8
5 3.0 以上
解答 4
逆希釈法は放射性化合物を定量するのに非放射性化合物を用いる希釈分析法で、定量する放射性物質の重量 X、比放射能 S0、加える非放射性物質の重量 a、加えた後の比放射能 S とすると、S0X = S(X+a) という式が成り立つ。 700・a = 70(a + 25) a ≒ 2.8 [mg]
問23
14C と 3H で標識された少量の有機物質を完全燃焼させて発生した気体を、まず ①十分に長い塩化カルシウム管に通し、次いで②ソーダ石灰管(NaOH + Ca(OH)2) に通した。①と②に捕集されるラジオアイソトープ(RI)の組み合わせは、次のうちどれか。
<①で捕集されるRI> <②で捕集されるRI>
1 14Cと3H なし
2 14C 3H
3 3H 14C
4 なし 14Cと3H
5 なし なし
解答 3
有機化合物の元素分析法である。有機物質は完全燃焼すると、炭素は全て CO2、水素は全て H2O となる。生成した H2O は塩化カルシウム管に、CO2 はソーダ石灰管に吸収される。それぞれの増加量が H2O とCO2 の質量となる。
問24
次の放射性核種について、放出される主要な放射線として正しいものはどれか。
<核種> <放射線>
1 60Co Coの特性X線
2 99mTc β線
3 192Ir 消滅放射線
4 201Tl Hgの特性X線
5 241Am 中性子線
解答 4
1 誤 0.318 MeV の β-線及び 1.173 MeV と 1.333 MeV の2本のγ線を放出する。
2 誤 β線を出さず、核異性体(IT) によって生じる 0.14 MeV のγ線を放出する。
3 誤 放射されるγ線は複雑であるが、0.3 MeV 付近が多い。
4 正 γ線及び Hg からの特性X線を放出する。201Tl は SPECT に利用される。
5 誤 α線のエネルギーは 5.486 MeV、γ線のエネルギーは非常に低く、わずか 59.5 keV である。
問25
放射性同位体の利用法に関する次の記述のうち、正しい組み合わせはどれか。
A 147Pm を用いた厚さ計では、β線の試料による吸収や散乱を利用する。
B 192Ir を用いた非破壊検査装置では、γ線の透過作用を利用する。
C 210Po を用いた静電除去装置では、α線の試料表面からの散乱を利用する。
D 252Cf を用いた水分計では、中性子の水素原子核による吸収を利用する。
1 AとB 2 AとC 3 BとC 4 BとD 5 CとD
解答 1
A 正 厚さ計の線源として用いられる核種を多い順に並べると 85Kr , 241Am , 90Sr , 147Pm , 204Tl , 137Cs , 14C といった順になる。147Pm は低エネルギーのβ線源として、透過量を測定することでごく薄い紙やビニルシートの厚さを知るために用いられる。
B 正 非破壊検査(ラジオグラフィ)とは、放射線の物体に対する透過減弱作用と写真作用を利用して物体内部の状況を調べる方法をいう。一般的に半減期がやや短い欠点はあるが、その他の条件が最も良い 192Ir が一番多く用いられており、次いで 60Co、137Cs の順となっている。
C 誤 静電除去装置は、摩擦などによって絶縁体表面に生じた静電気を、α粒子やβ-粒子を照射して得た電離空気に接触させて消滅する装置である。すなわち電離作用を利用する。放射線源としては、241Am , 210Po , 85Kr が使用される。
D 誤 速中性子が水素原子と衝突して減速され熱中性子になる現象を利用したもので、線源としては 241Am-Be , 226Ra-Be , 252Cf などの速中性子源が用いられている。
問26
次の試料中の放射性核種を定量するとき、用いる検出器として正しい組み合わせはどれか。
<試料> <核種> <検出器>
A ろ紙 14C Si(Li)検出器
B 水溶液 55Fe 井戸型NaI(Tl)シンチレーション検出器
C 有機溶液 3H 液体シンチレーション検出器
D 水溶液 60Co Ge検出器
E ろ紙 32P GM計数管
1 ABCのみ 2 ABEのみ 3 ADEのみ 4 BCDのみ 5 CDEのみ
解答 5
A 誤 Si の結晶に Li をドリフトして作られる検出器で、低エネルギーX線用の高分解能検出器である。入射してくる数 keV から約 20 keV の X 線に対してほとんど 100% の検出効率がある。Ge に比べて Si は原子番号が小さいので、高エネルギー光子に対する検出効率は低く、50 keV 程度が実用上の上限である。
B 誤 55Fe は EC 壊変の核種であり、X線(5.9keV)のみを放出する。スミア法が最適であり、エネルギー依存性を考慮して検出器を選ぶ必要がある。
C 正 低エネルギーβ線放出体である 3H でも効率よく測定できるため、液体シンチレーション検出器を用いる。
D 正 Ge 検出器はγ線用の検出器である。60Co は β- ー γ放射体であるため測定可能である。また精密なスペクトル測定が不要な場合、効率の良い NaI(Tl)シンチレーション計数装置でも測定できる。
E 正 32P のβ線の最大エネルギーは 1.71 MeV と高く、測定器としては通常の GM カウンターで十分である。
問27
ホットアトムに関する次の記述のうち、正しいものの組み合わせはどれか。
A ヨウ化エチルを熱中性子照射した後、水で抽出すると、128I が水相に検出される。
B As(Ⅴ)のヒ酸塩を熱中性子照射すると、76As(Ⅲ)が生成する。
C 安息香酸と炭酸リチウムを混合し、熱中性子照射すると、安息香酸がトリチウムで標識される。
D ブタノールと 3He を混合し、熱中性子照射すると、ブタノールがトリチウムで標識される。
1 ACDのみ 2 ABのみ 3 BCのみ 4 Dのみ 5 ABCDすべて
解答 5
ホットアトム法 = 反跳原子法 = ジラーズ・チャルマーズ法 と呼ばれ、中性子照射によってターゲットが放射化した時、娘核種から放出される放射線の反跳エネルギーによって、結合が切れて、液体又は気体中に遊離する現象を利用する。C2H5Iに熱中性子 を照射すると C2H5I(128) が発生する。128I からのγ線によって、結合が切れて 128I が溶液中に移動する。
A 正 熱中性子照射したヨウ化エチルから生成した 128I の一部が水相に抽出分離される。
B 正 熱中性子照射したヒ酸塩中に生じた放射性ヒ素 76As のかなりの部分がターゲット物質と異なる酸化状態となる。
C 正 有機化合物に 3He または炭酸リチウムを混合して、3He(n , p)3H または 6Li(n , α)3H で生成するホットアトムである 3H によって有機化合物を標識する(反跳合成法)。
D 正 有機化合物に 3He を混合して、3He(n , p)3H で生成するホットアトムである 3H によって有機化合物を標識する(反跳合成法)。
問28
226Ra は 4.8 MeV のα線を放出して 222Rn になる。この時、222Rn の持つ反跳エネルギー(keV)として最も近い値は、次のうちどれか。
1 22
2 34
3 86
4 220
5 340
解答 3
α壊変 226Ra → 222Rn + α が成り立つ。生成核の質量を M、α粒子の質量を m、生成核の速度を V、α粒子の速度を v とする。運動量保存則より、M・V = m・v・・・①。両粒子の運動エネルギーE(M)、E(α)は、 E(M) = 1/2・M・V^2・・・②、E(α) = 1/2・m・v^2・・・③。
①〜③より、E(M) = (m/M)・E(α) = (4/222) × 4.8 = 0.0864 [MeV] ≒ 86 [keV]
問29
水和電子に関する次の記述のうち、正しいものの組み合わせはどれか。
A 水溶液をγ線で照射すると水和電子が生成する。
B 水和電子はスパー(スプール)内に生成する。
C 水和電子には酸化能力がある。
D 水和電子は水素ラジカルを生成する。
1 ABCのみ 2 ABDのみ 3 ACDのみ 4 BCDのみ 5 ABCDすべて
解答 2
フリーラジカルの生成を下に示す。
励起・・・H2O → H*(還元性) + OH*(酸化性)
電離・・・H2O → H2O+ + e- 、H2O+ → H+ + OH*
もしくは H2O+ + H2O → H3O+ + OH* H3O+ + e- → H* + H2O
電子の周りには水分子が集まり水和電子[e(aq)]が生成される。
e- + nH2O → e(aq)- [還元性]
e(aq)- + H2O → OH- + H* もしくは、e(aq)- + H+ → H*
H* + OH* → H2O となり、
H*は生体分子の水素を引き抜いて反応を起こし、10^(-10)秒の寿命をもつ。
還元性を示す分子・・・H*、e(aq)-、H2
酸化性を示す分子・・・OH*、H2O2
A 正 上の式でも分かるように、イオン化により生じた電子は、さらに高次のイオン化を起こしたり、親イオン(陽イオン)と再結合したりして消滅する。水中では、水分子数個にゆるく束縛され水和電子を形成し、約 30 μsec 程度存在する。
B 正 放射線が物質に及ぼす効果は、放射線の一次過程と二次過程に分類できるが、スプール生成までが一次過程である。一次過程は、励起、イオン化(電離)の物理的現象が見られる過程およびイオンやラジカルの生成までの物理化学的な現象が見られる過程である。二次過程は、一次過程によって生成したイオン、励起分子、ラジカルなどが、引き続いて起こす一連の化学的な現象が見られる過程である。
C 誤 上図に示すように水和電子は還元性を示す。また水和電子は水素原子 H より酸化還元電位が約 0.6 V 高く、水素原子より強力な還元性を持ち、反応性に富む。
D 正 水和電子は e(aq)- + H2O → OH- + H* もしくは、e(aq)- + H+ → H* という反応で水素ラジカルを生成する。
問30
フリッケ線量計に 60Co からのγ線を線量率 960 Gy/h で 1 時間照射すると、溶液 1 g 当たりどれだけの物質量(mol) のFe(3+) が生成するか。ただし、Fe(3+) の生成の G 値 を 16、アボガドロ定数を 6.0 × 10^23 /mol、1 eV を 1.6 × 10^(-19) J とする。
1 1.0 × 10^(-7) 以下
2 1.6 × 10^(-6)
3 6.0 × 10^(-6)
4 1.7 × 10^(-5)
5 1.0 × 10^(-4) 以上
解答 2
フリッケ線量計は第1鉄イオン(Fe2+) → 酸化 → 第2鉄イオン(Fe3+) と変化させて測定する線量計で、測定範囲エネルギーは 50 ~ 400 Gy 。また硫酸鉄(Ⅲ)水溶液に空気または酸素と飽和して用いる。酸素飽和していると高線量の測定が可能。 G 値 が 16 とは、100 eV のエネルギー吸収によって 16 個の Fe(3+) を生成するということである。ここで、N個の Fe(3+) が吸収する線量 D は、D = (N/16) × 100[eV] × 1.6 × 10^(-19)[J/eV] / (1.0 × 10^(-3)) [kg] = N × 10^(-15)。 線量率 960 Gy/h で 1 時間照射を行うと、960 = N × 10^(-15) よって N = 9.6 × 10^17 個。したがって線量 D = (9.6 × 10^17)/(6.0 × 10^23) = 1.6 × 10^(-6) [mol] となる。
分配係数に関する記述
Ⅰ
イオン交換樹脂を用いる分離系では、吸着の強さを表わす指標として分配係数が用いられる。U(Ⅵ)イオンを例にとると、吸着平衡の時にイオン交換樹脂に吸着した U量が1.0×10^4Bq/g(乾燥樹脂重量)、水溶液中に残ったUの濃度が5Bq/mlの時、分配係数は2.0×10^3である。それぞれ1.0×10^4Bqの137Cs(Ⅰ)、51Cr(Ⅲ)、95Zr(Ⅳ) の各イオンのトレーサーを含む0.2M H2SO4 水溶液10mlがある。その溶液に、陰イオン交換樹脂1g(乾燥重量)を加えてから、よく撹拌して吸着平衡した。この系における それぞれのイオンの分配係数を求めたところ、次表に示す値が得られた。
| 陰イオン交換樹脂ー0.2M H2SO4 | 137Cs(Ⅰ) | 51Cr(Ⅲ) | 95Zr(Ⅳ) |
| 分配係数 | 1.0×10^(-3) | 0.5 | 1.0×10^3 |
95Zr(Ⅳ)は、そのほとんどが樹脂に吸着した。溶液中の95Zr濃度は約 10 Bq/molとなった。137Cs(Ⅰ)はほとんどが溶液中に残った。137Cs(Ⅰ)は溶液中で陽イオンとして存在している と考えられる。51Cr(Ⅲ)では、95%が水溶液中に見出され、その分配係数はおよそ 0.5 であった。
解説
分配係数 Kd[ml/g] = イオン交換樹脂中のイオン濃度/溶液中のイオン濃度 で表される。U(Ⅵ)の場合：Kd = 1.0×10^4[Bq/ml]/5[Bq/ml] = 2.0×10^3[ml/g]
ここで、試料の初期イオン濃度C0、初期放射能A0、水溶液に残ったイオン濃度C、水溶液中放射能A、水溶液体積V、イオン交換樹脂重量mとすると、
Kd = (C0-C)/C = [(A0-A)/m]/(A/V)・・・①
分配係数より、137Cs(Ⅰ)と95Zr(Ⅵ)についてイオン交換樹脂への吸着量及び水溶液中濃度を算出する。初期放射能はそれぞれ 1.0×10^4[Bq]である。
137Cs(Ⅰ)：溶液中Cs放射能Acsとすると、式①より 1.0×10^(-3) = [(1.0×10^4-Acs)/1]/(Acs/10) Acs ≒ 1.0×10^4[Bq]
よって、Ccs = 1.0×10^4[Bq]/10[ml] = 1.0×10^3[Bq/ml] また、イオン交換樹脂への吸着量は、(A0cs-Acs)/1[g] = 0[Bq/g]
95Zr(Ⅵ)：溶液中Zr放射能をAzrとすると、式①より 1.0×10^3 = [(1.0×10^4-Azr)/1]/(Azr/10) Azr ≒ 100 よって、Ccs = 100[Bq]/10[ml] = 10[Bq/ml]
また、イオン交換樹脂への吸着量は、(A0cs-Acs)/1[g] = 9900[Bq/g] 次に水溶液中に51Crが95%見出されたことにより、51Crの分配係数を求める。
51Cr(Ⅲ)：水溶液中濃度：1.0×10^4 × 0.95 = 9500Bq、Ccs = 9500[Bq]/10[ml] イオン交換樹脂への吸着量：(A0cr-Acr)/1[g] = 500[Bq/g]
よって、分配係数Kd = 500[Bq/g]/950[Bq/ml] ≒ 0.5[ml/g] 強塩基性陰イオン交換樹脂にほとんど吸着しないあるいは全然吸着しないグループとして、アルカリ金属
アルカリ土類金属、Sc、Y、ランタノイド元素、Ac、Tl(Ⅰ)、Ni、Alなどがある。Csはアルカリ金属である。また、陰イオン交換樹脂は、陰イオンしか吸着しないので、CsはCs+
の陽イオンとして存在すると考えられる。
Ⅱ
溶媒抽出法では、溶質の抽出特性を表す指標として分配比が用いられる。有機相中の溶質の全濃度をC0、水相中のそれをCAとすると、分配比は( C0/C )で表される。
通常は有機相中への抽出を増すために( HDEHP )等の抽出剤を有機相に加える。有機相を30%リン酸トリプチン/n-ドデカン、水相を硝酸溶液とした時の、いくつかの金属元素
についての金属元素について分配比を表に示す。
| 有機相：30%リン酸トリプチン/n-ドデカン 水相：3M 硝酸溶液 | U(Ⅳ) | Eu(Ⅲ) | Tc(Ⅶ) |
| 分配比 | 20 | 0.1 | 0.1 |
等容積の有機相と 3M 硝酸溶液を用いた1回の抽出では、U(Ⅵ)は 95 %が有機相に抽出され、Eu(Ⅲ)とTc(Ⅶ)は 90 %が水相に残ることがわかる。この水相に対して、新たに等容積の有機相を用いて2回目の抽出を行うと、水相中に残るU(Ⅵ)量は、最初に存在した量の 0.25 %となる。
解説
有機相中の溶質の全濃度をC0、水相中の溶質の全濃度をCAとすると、分配比は次のようになる。 D = C0/CA 分配比Dは水相を基準として有機相に何倍も多く抽出 されるかを表し、Dが大きいほど有機相に多く抽出されることを意味する。また、放射性核種がどれだけ有機相に抽出されたかを表す抽出率Eは、分配比Dで次のように表される。
E = D/[D ＋ (Vw/V0)]・・・② VwとV0は、それぞれ水相と有機相の容量(ml)を示す。水相と有機相を等容積で抽出を行う場合、Vw = V0 となり、②式は次のようになる。
E = D/(D ＋ 1)・・・③ 1回目の抽出により有機相に抽出されたU(Ⅵ)の割合は式③より、E = 20/(20 + 1) ≒ 0.95 よって 95%
また、Eu(Ⅲ)とTc(Ⅲ)の割合は、E = 0.1/(0.1 + 1) ≒ 0.09 問題では水相に残った割合なので、(1 – 0.09) × 100 ≒ 90%
ここで、1回目の抽出により水相中に残ったU(Ⅵ)は、最初に存在した量の5%となる。2回目の抽出により有機相に抽出されるU(Ⅵ)の割合も0.95であるため、さらにその5%が 2回目の抽出により水相中に残る。したがって、(0.05 × 0.05) × 100 = 0.25% が水相中に残ると考えられる。
溶媒抽出法では、通常、有機相への抽出を増すために抽出剤を有機相に加える。例えば、90Sr – 90Yから 90Y を分離する際に、有機相にHDEHP(ビス2ーエチルヘキシルリン酸) を加えて抽出を行なっている。
III
約100年前、キュリー夫妻はウラン鉱石に含まれるラジウムを発見した。ウラン鉱石中に存在するラジウム(226Ra)は238Uと永続平衡にあるので、この鉱石中に含まれる 226Raと238Uの重量をW(Ra)とW(U)、それぞれの半減期をT(Ra)とT(U)(T(Ra)= 1.6×10^3年、T(U)= 4.5×10^9年とすると、次式の関係が成立する。
W(Ra)/226 = W(U)/228 × T(Ra)/T(U)
従って、その鉱石に含まれているW(U)が5.0×10^3gの場合には、約 1.7 mgの226Raが含まれていることになる。 ところで、キュリー夫妻は原子量を確定できるだけのラジウム量を得るために、ウラン回収後の残渣である鉱さい数トンを用いてラジウムの分離作業を行った。 原料である鉱さいを溶解し、その中に含まれるラジウムなどの微量金属を硫酸塩の沈殿として回収した。分離した硫酸塩の沈殿は、さらに様々な沈殿分離法を経て、 バリウム成分が精製された。最終段階では、同じアルカリ土類金属の塩であるBaCl2と 226RaCl3 とを分離するために、両者の水への溶解度の差を利用する分別結晶法を用いた。 試料を溶かした水溶液を蒸発濃縮して新たな結晶を得るごとに、結晶中の226Raの放射能濃度は増大した。この操作を何回も繰り返し、約100mgの 226RaCl3 結晶を得た。 なお、純粋な226Ra 100mg の放射能は 3.7×10^9 Bqである。
解説
ウラン鉱石中に存在するラジウム(226Ra)は238Uと永続平衡にある。永続平衡(親核種1の半減期が娘核種2に対して非常に長い：λ1<<λ2)が成立する場合は、親核種1と娘核種2は次の関係となる。
N1・λ1 = N2・λ2・・・④
ここで、ウラン鉱石中に含まれる226Raと238Uの重量をW(Ra)とW(U)、それぞれの半減期をT(Ra)とT(U)とすると、式④は次のように表される。
N(U)・λ(U) = N(Ra)・λ(Ra) より (ln2/T(U))・(W(U)/238) = (ln2/T(Ra))・(W(Ra)/226) (W(Ra)/226) = (W(U)/238)・(T(Ra)/T(U))
W(U) = 5.0 × 10^3の場合は、(W(Ra)/226) = (5.0 × 10^3[g]/238)・(1.6 × 10^3[年]/4.5 × 10^9[年]) W(Ra) ≒ 1.7 × 10^(-3)[g] = 1.7[mg]
ラジウムとバリウムは共にアルカリ土類金属の元素であり、化学的性質では同じ挙動をする。しかし、水等への塩化物の溶解度の差があるため、その差を利用して分別結晶法により 分離できる。アルカリ土類金属は周期表において第2族に属する元素。226Raの半減期は1.60 × 10^3年、ウラン鉱物に3.4 × 10^(-5)%程度含まれる。226Raの1gは約1Ci(キュリー) である。1Ci = 3.7 × 10^10Bq = 37GBq よって、純粋な226Ra 100mg の放射能は、3.7 × 10^9 Bq である。
中性子照射による核反応の記述
Ⅰ
ライフサイエンスの分野でよく用いられる 32P(半減期14日 (1.2×10^6秒))は、β- 壊変して 32S になる。32P は、天然同位体存在度のリン(31P：100%)をターゲットとして原子炉での中性子照射による 31P (n,γ) 32P 反応で得られる。この場合は担体の 31P を含んでおり、生成する 32P の比放射能は、核反応断面積にも照射中性子フルエンス率にも依存する。また、照射時間にも 冷却時間にも依存する。一方、32P の製造には天然同位体存在度の硫黄(32S：95%)をターゲットとする原子炉での中性子照射で、32S (n,p) 32P のように、照射の前後で原子番号が変わる核反応が利用される。この場合、ターゲットから化学分離により無担体の 32P が得られ、この 32P の比放射能は、核反応断面積にも照射中性子フルエンス率にも依存しない。また、照射時間にも冷却時間にも 依存しない。無担体で 1 kBq の 32P では、その計数率は検出効率 10% としても 6000 cpm あり、容易に検出できるが、その質量は 10^(-13) グラムと超微量であり、トレーサーとして使用するとき、対象への化学的生物学的影響はほとんど無視できる。なお、無担体の 32P 製品中に、ターゲット硫黄中の 33S(0.8%) 由来の 33P(半減期 25日 (2.2×10^6秒)) が不純物として放射能比で 1 % 含まれていると、100 日後における 32P の放射性核種純度はおおよそ 92 % となる。
解説
放射能の単位は Bq で 1秒あたりの壊変数である。
1.0 kBq = 1000[s^(-1)] = 60000[min^(-1)] よって検出効率 10% とすると、6000 cpm となる。
放射能：A[Bq]、壊変定数：λ、[s^(-1)]、半減期：T[s]、質量：W[g]、質量数：M[g/mol] とすると、
A = (0.693/T) × (W/M) × 6.02 × 10^23
1.0 × 10^3 = (0.693/(1.2×10^6)) × (W/32) × 6.0 × 10^23
W = 9.2 × 10^(-14) ≒ 10^(-13) [g] となる。
続いて、放射能 A0 の放射性核種を用いているとき、その半減期を T とすると経過時間 t における放射能 A は、A = A0 × e^(-0.693t/T) となる。この式は A = A0 × (1/2)^(t/T) と書き直せる。
32P：A × (1/2)^(100/14) ≒ A × (1/2)^7
33P：0.01A × (1/2)^(100/25) = 0.01A × (1/2)^4
よって、[A × (1/2)^7]/[A[(1/2)^7] + 0.01 × (1/2)^4] = 0.925 したがって 92.5% となる。
Ⅱ
上空大気中で宇宙線により生じる中性子と空気中の 14N との (n,p) 反応により 14C(半減期 5730年(1.8×10^11秒))が生成する。宇宙線強度が変わらなければ常に同じ割合で生成し壊変するので、地球大気中の 14C の量は一定に保たれる。その比放射能は炭素 1g 当たり約 0.23 Bq であり、その炭素同位体原子数比(14C/(12C+13C))の値は 1.2 × 10^(-12) である。 14CO2 の化学形で存在する大気中の 14C が、光合成により植物体内に取り込まれ、食物連鎖により動物体内にも入り、生物体中の 14C 比放射能は、大気中とほぼ同じになる。しかし、生物が死ぬと、14C の供給が途絶えるので、14C 比放射能は時間とともに減衰する。したがって、これら生物試料中の 14C を測定すれば、その生物の死後の経過時間が求められる(年代測定)。14C はこれまで、試料を気体にして 比例計数管により、あるいは、炭素含有率の大きい有機液体にして液体シンチレーション検出器により、その放射能で測定されてきた。しかし、試料量が少量のとき、あるいは数万年前の試料では、含まれる 14C 放射能が mBq 程度となり、その放射能測定は極めて困難あるいは不可能となるが、近年、加速器質量分析法を用いて、1ミリグラム程度の 試料でも、あるいは数万年前の試料でも、高感度に炭素同位体原子数比を測定して 14C の量を求め、その年代を決定することが可能になってきた。例えば、1ミリグラムの炭素を含む試料を測定して、13C/12C 原子数比の値が 0.0108、14C/13C 原子数比の値が 10^(-11) であったとすると、この試料の年代として最も近い値は 20000 年前である。
解説
14C は天然に 14N から (p,n) 反応で生成する。炭素の安定同位体は、12C 98.89% のほかに、13C 1.11% がある。
14C 年代測定：大気の上層部で宇宙線が 14N に衝突すると、 14C ができる。これが酸化されて 14CO2 となり、植物や動物の組織内に吸収されて生体の一部となる。14C の半減期は 5730 年であり、1つの炭素サイクル内では、炭素の比放射能はほぼ一定とみなしてもよい。生体の死後、その中に止まるようになった炭素はサイクルからはずれるので、14C 固有の壊変定数で放射能を失う。したがって、試料中の 14C の比放射能を測定すれば年代が分かる。
A = (0.693/T) × N より、0.23 = 0.693/(1.8×10^11) × N
N(14C) = 6.0 × 10^10
N(12C+13C) = (1/12) × 6.0 × 10^23 = 5.0 × 10^22
よって、N[14C/(12C+13C)] = (6.0×10^10)/(5.0×10^22) = 1.2 × 10^(-12)
測定による年代の算出
N(13C)/N(12C) = 0.0108、N(14C)/N(13C) = 10^(-11) より、
N(13C) = 10^11 × N(14C)・・・(1)
N(12C) = N(13C)/0.0108 = (N(14C) × 10^11)/0.0108・・・(2)
ここで、N = (W/A) × 6.0 × 10^23 より、
N(12C) + N(13C) = (1×10^(-3))/12 × 6.0 × 10^(23)・・・(3)
(1)、(2)、(3)より、
(N(14C) × 10^11)/0.0108 + 10^11 × N(14C) = (1×10^(20))/2.0
N(14C) = (1/2) × 10^7 個(1mg中)
A = λN ＝ (0.693/T)×N より、
A = (0.693/1.8×10^11) × (1/2×10^7) = 1.9 × 10^(-5) Bq
地球大気中の 14C の比放射能は 0.23 Bq/g であるから、1ミリグラム当たりの放射能は o.23 × 10^(-3) Bq となる。
1.9 × 10^(-5) = 0.23 × 10^(-3) × (1/2)^(t/5730)
0.083 = (1/2)^(t/5730)
左辺の(1/2)^n について検討すると、(1/2)^3 = 0.125、(1/2)^4 = 0.0625 である。
3 < t/5730 < 4 より 17190 < t < 22920 となり、約 20000 年前のものと推定できる。
また下記のサイトに私がまとめた資料を示しております。
https://www.radiologist-study.org
