このブログ記事では、原子核の研究である核物理学がサイクロトロンや放射性同位体を介して放射線療法や PET スキャンなどの現代の医療技術に至った原理と応用について検証します。

なぜ原子核物理学は医学や実験科学につながったのでしょうか?

原子核物理学は原子核を研究する学問です。しかし、多くの人は原子核物理学を、原子力発電所で起こる核分裂現象を扱う分野としてのみ認識しがちです。しかし、この認識とは裏腹に、原子核物理学の研究過程で生成される様々な副産物は、これまで化学や物理学の他の分野では不可能だった実験を可能にし、医療分野においても実用的な価値を持っています。

サイクロトロン: 単なる単純な粒子加速装置?

例えば、原子核物理学の実験用に開発された加速器であるサイクロトロンを考えてみましょう。サイクロトロンは、粒子を円運動させる粒子加速器です。構造的には、銅板で作られたD字型の真空チャンバー2つからなる比較的単純な装置です。この装置は、高周波交流電圧を用いて荷電粒子の流れを加速します。
サイクロトロンの構造的特徴は、大きく分けて2つあります。1つ目は、従来の線形粒子加速器とは異なり、サイクロトロンは2枚のD字型の半円板を間隔を空けて配置した円形粒子加速器である点です。2つ目は、サイクロトロン内部において、粒子が半円板を通過するたびに交流電圧の周波数方向が変化する点です。粒子の流れを加速するために、真空容器内の2枚の半円板状の金属電極間に交流電圧が流されます。これらの半円板は一定の間隔で配置されており、この空間の中央に注入された粒子が自由に移動できる空間を確保しています。半円板は電磁石の極間に配置され、電極板に垂直な電磁場を発生させます。この磁場によって、粒子の運動方向と垂直に作用するローレンツ力によって、粒子の進路は円形に曲がります。さらに、粒子が半円板間の隙間を通過するたびに、電界周波数の方向が変化することも特徴です。この変化により、電場が粒子の速度を加速するのに適切な方向に向くようになります。その結果、粒子は電気力の影響下で、次第に半径が大きくなる円軌道を描くように誘導されます。
このように加速された粒子は、サイクロトロンから放出された後、様々な物質と衝突させたり、核反応を誘起して新たな粒子の生成を観察するなど、実験に利用することができます。しかし、サイクロトロンで生成された粒子は、単なる実験にとどまらず、医療分野でも重要な役割を果たしています。つまり、サイクロトロンから射出されたイオンビームは、放射線治療と呼ばれる医療技術の中核原理に沿って、がん治療に利用することができるのです。サイクロトロン内で光速の約60%まで加速された陽子を患者の腫瘍部位に照射し、がん細胞のDNAを破壊する方法は、従来の放射線治療に比べて、体内を通過する際の健常組織への影響を最小限に抑えられるという利点があります。さらに、治療プロセスが比較的迅速で、患者の負担が少ないことも大きな特徴です。このように、原子核物理学の応用は、発電という限られた分野に限定されることなく、多様な分野に広がる可能性を秘めています。

医療技術における核物理学

原子核物理学の実験で広く扱われる放射性同位元素は、医療技術にも積極的に活用されています。放射性同位元素を用いて人体内部のより詳細な情報を得る革新的な医療機器が開発されています。従来のX線画像、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像（MRI）に加え、脳の機能活動そのものを可視化できる陽電子放出断層撮影（PET）と呼ばれる技術が登場しています。PETは、放射性同位元素で標識した物質を用いて脳の様々な部位を画像化する装置です。PET画像の取得原理は、脳が活性化した部位ではグルコース代謝が亢進し、それに応じて血流が増加するという生理現象を利用しています。このプロセスでは、半減期が約2分と極めて短い同位元素を含む水分子を用いて血流の変化を測定します。この検査は、特定の刺激を与えていない状態と刺激を与えた活性化状態における脳の反応を比較する断層画像化法を用いて行われます。このような例は、原子物理学が他の学問分野の発展にどのように良い影響を与えることができるかを明確に示しています。

核物理学の応用可能性

核分裂反応を利用した発電技術も、サイクロトロンと呼ばれる粒子加速器の医療応用も、原子核の探究の中で発見された原理を応用した成果です。この意味で、原子核物理学は単に粒子の性質を解明する学問分野にとどまらず、その研究で蓄積された知見に基づき、他の学問分野の発展を牽引する分野でもあります。つまり、原子核物理学は、原子核の探究にとどまらず、その過程で発見された原理を様々な分野に応用することで、科学技術全体の発展に貢献する、汎用性の高い学問分野と言えるでしょう。