吸収断面積・とは？初心者にも分かる基礎解説と身近な例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

吸収断面積とは？

吸収断面積とは、原子核が中性子などの粒子を「どれくらいの確率で吸収するか」を表す指標です。直感的には「核が私たちの粒子を受け止めるための面積のようなもの」と考えられますが、実際には物理的な面積そのものではなく、確率を表す仮想の面積です。

核反応の設計や放射線の遮蔽設計、原子炉の安全性評価などでこの吸収断面積はとても大事です。断面積が大きいほど、粒子が核に捕らえられる確率が高くなります。

見るべきポイントは三つです。第一に、どの核の吸収断面積か、第二に、粒子のエネルギー（熱中性子か高速中性子か）、第三に、同位体の種類です。これらが組み合わさることで、材料が中性子をどう扱うかが決まります。

どうしてエネルギーで変わるの？

中性子が速く動いていると、核の表面に対して当たり方が変わります。多くの核は、熱中性子（エネルギーが低い状態）で高い吸収断面積を示すものと、低い吸収断面積を示すものがあります。逆に高速中性子では、断面積が小さくなることが多いです。さらに同位体ごとに“共鳴”という現象があり、特定のエネルギーで急に断面積が大きくなることもあります。

単位と意味

吸収断面積の単位はbarn（バーン）と呼ばれ、1 barn は 1e-28 m^2 に相当します。なお、材料全体での反応率を理解するには 核の数密度 Nと 粒子の流れ Φ、そして吸収断面積 σ を使う式 R = N × Φ × σ がよく用いられます。σ が大きいほど、材料が粒子を捕らえる確率が高くなります。

実例と比較

以下の表は、熱中性子の近似値としてよく使われる代表的な核の吸収断面積の例です。数値はおおよそで、エネルギー条件によって変わります。

物質	熱中性子の吸収断面積（おおよそ・ barns）	ポイント
Boron-10（^{10}B）	約 3830	中性子を強く捕らえやすい
Cadmium-113（^{113}Cd）	約 27000	遮蔽材料として重要
Uranium-235（^{235}U）	約 680	原子力燃料にも関係
Hydrogen-1（^{1}H）	約 0.33	水分子の主成分だが吸収は小さい

この表から読み取れるように、吸収断面積は核種ごとに大きく異なり、エネルギーや同位体の違いによっても変化します。設計者は、目的に合わせて高い断面積の材料を選んだり、逆に低い断面積の材料を選ぶことで、想定される中性子の量を調整します。

まとめ

要点は三つです。第一に、吸収断面積は「物理的な大きさ」ではなく、「粒子を捕らえる確率を表す指標」であること。第二に、エネルギーと同位体に強く依存するという性質。第三に、材料選択や設計はこの σ を軸に行うということです。中学生にもイメージしやすく言えば、「核は粒子を捕まえやすい・捕まえにくい“仮想の面”を持っている」という感じです。

吸収断面積の同意語

吸収断面積: 粒子が物質を吸収する確率を、単位長さあたりの面積として表した物理量。一般にバーン（1 barn = 1×10^-28 m^2）で表され、濃度Nの物質を通過する粒子の吸収度合いは μ = N σ で表されます。
吸収断面: 吸収断面積の略称。意味は同じく、吸収を起こす確率を“断面積”として表した量。
吸収横断面積: 断面積の別表現。吸収過程に関係する物理量で、同じ意味を指します。
吸収横断面: 吸収横断面積の略称。概念は吸収断面積と同じ。
吸収截面積: 漢字表記の別形で、意味は吸収断面積と同一。
吸収截面: 吸収断面積の略語的表現。意味は同じ。
断面積（吸収用）: 吸収を目的とした断面積を指す言い換え。文脈上、同じ概念を指します。
断面（吸収用）: 吸収過程のための断面積を指す表現。意味は吸収断面積と同じです。
吸収の断面積: 吸収という現象を表す断面積を指す自然な言い換え。

吸収断面積の対義語・反対語

散乱断面積: 吸収断面積の対義語としてよく挙げられる。入射粒子が材料と相互作用して散乱を起こす確率を表す断面積。エネルギーを吸収せず方向を変える現象を示す指標として用いられる。
透過断面積: 粒子が材料を透過して失われずに抜ける経路に対応する断面積。吸収や散乱を起こさずにビームが通過する確率の指標として解釈されることがある。
反応断面積: 入射粒子が材料と反応を起こす全ての経路の断面積。広義には吸収を含む反応を含むことがあり、吸収以外の反応を含む指標として使われることがある。
総断面積: 材料と入射粒子の全ての相互作用（吸収・散乱・その他の反応を含む）の合計断面積。吸収断面積と対比して全体像を把握する際に用いられる。
非吸収断面積: 吸収以外の経路の断面積。つまり、吸収を除いた他の反応や散乱などの経路を表す指標として使われることが多い。
透過率: 入射粒子が材料を透過して失われずに通過する割合。断面積の概念と結びつく対概念として、吸収・散乱を伴わない通過を示す指標として使われる。
非透過率: 粒子が材料を透過せず、何らかの相互作用で失われる割合。透過率の反対語として自然に使われる概念。

吸収断面積の共起語

散乱断面積: 入射粒子がターゲットと散乱する確率を表す量。吸収断面積と同様に、粒子の相互作用を評価する基本指標で、角度分布とセットで用いられる。
総断面積: ターゲットが起こす全反応の断面積の合計。吸収だけでなく散乱なども含む総量。
微分断面積: 特定の条件下（角度・エネルギーなど）での断面積。反応の分布を示す微分量で、スペクトルや角分布の解析に用いられる。
角度分布: 吸収・散乱の発生がどの角度で起こりやすいかを表す分布情報。微分断面積とセットで使われる。
反応断面積: 特定の反応を起こす確率を示す断面積。吸収以外の反応（散乱・参照反応など）にも使われる概念。
吸収係数: 物質が光や粒子をどれだけ吸収するかを示す指標で、断面積や濃度と組み合わせて算出される。
吸収率: ある条件下で吸収される割合。透過率と反対の概念で、ビール-ランバートの法則との関係が深い。
光電効果: 光子が原子の電子を結合から解放する吸収の代表的な機構。吸収断面積はこのプロセスの確率と結びつく。
バーン: 断面積の単位。1 barn = 10^-28 m^2。
エネルギー依存性: 吸収断面積は入射エネルギーによって値が変化する性質。エネルギー依存性を図ることで特性を把握できる。
温度依存性: 特にガス状ターゲットなどで、温度の変化により吸収断面積が変化することがある。
材料: 吸収断面積は材料種（元素・化合物）ごとに異なる。対象とする材料を特定して評価する。
ターゲット: 吸収を受ける対象物。原子・分子・固体など、実験の対象となる物質。
原子番号: 元素を区別する番号。原子番号が異なると吸収断面積の値が変わることが多い。
同位体: 同じ元素でも異なる中性子数を持つ同位体は、吸収断面積が異なる場合がある。
原子核: 核反応を含む吸収では、原子核の性質が反応確率に影響する。
中性子: 中性子の吸収断面積は核反応性に強く依存する。中性子捕獲などの現象で重要。
光子: 光子のエネルギーによって吸収断面積が変動。可視光からγ線まで範囲は広い。
電子: 電子を対象とした吸収メカニズム（光電効果・コンプトン散乱など）も吸収断面積に含まれることがある。
測定法: 実験ではビーム強度の減衰や透過率を測定して断面積を推定する。
データライブラリ: 吸収断面積の数値データは ENDF/B、JENDL、JEFF などのデータライブラリに格納されることが多い。
データベース名: 特定のデータセットやライブラリの名称。研究で参照される基本情報源。
ビール-ランバートの法則: 濃度・長さ・断面積を用いて光の強度がどの程度減衰するかを示す基本式。吸収断面積の実務適用に欠かせない。
入射フラックス: 入ってくる粒子の流れ（数・エネルギー分布）で、透過・吸収を評価する基礎情報。
原子密度: 単位体積あたりの原子数密度。断面積とともに測定・計算に使われる。
断面積スペクトル: エネルギーに依存した断面積のスペクトル。エネルギーごとの値を示す。
データの不確かさ: 測定には誤差が伴い、結果には不確かさがつく。報告時には不確かさを併記するのが一般的。

吸収断面積の関連用語

吸収断面積: 光や粒子が物質に吸収される確率を表す“有効な面積”。単位は面積（例：m²、cm²）。密度 n と σ_abs の関係から α = n σ_abs となり、透過は I = I0 e^{-αL} で表される。
吸収係数: 物質を光が進むときの吸収の強さを示す指標。単位は通常 m⁻¹。α = n σ_abs と表され、透過は I = I0 e^{-αL}、または A = εcl の形でも表される。
減衰係数: 光の強度が媒体を通る際の減少度合いを表す総合的な指標。吸収と散乱の寄与を含むことが多く、μ として記されることもある。
散乱断面積: 散乱を起こす確率を面積として表す指標。σ_s。吸収断面積 σ_abs と合わせて総断面積に寄与する。
反応断面積: 特定の反応（例: 吸収・生成・崩壊など）を起こす確率に対応する断面積。反応チャネルごとに定義される。
総断面積: ある衝突で起こる全ての相互作用チャネルの断面積の総和。 σ_tot = σ_abs + σ_s + その他のチャネル。
断面積（クロスセクション）: 粒子が他の粒子と相互作用する“有効面積”。英語の Cross section の日本語表現。
原子密度 / 数密度: 単位体積あたりの原子または分子の数。吸収計算には欠かせないパラメータで、記号は n。
透過率: 媒質を透過する光の割合。I/I0 で表し、薄い場合は T ≈ e^{-αL}、吸収が小さければ近似も使われる。
Beer-Lambertの法則: 吸収と透過の基本法則。A = εcl、または I = I0 e^{-αL}。モル濃度と長さを使って吸収を予測する。
波長依存性 / 吸収スペクトル: 吸収断面積は波長（エネルギー）に依存。特定の波長域で強く吸収される領域を示すスペクトルが得られる。
ボーア（barn）: 断面積の単位。1 barn = 10^-28 m²。実験データはこの単位で報告されることが多い。
単位の例: m² / cm²: クロスセクションの基本単位。研究分野によって m²、cm²、barn などが用いられる。
光学厚さ / オプティカル厚さ: τ = ∫ α dx = n ∫ σ dx のように、光が媒質を通過する“厚さ”を表す指標。薄層近似で扱われることが多い。
エネルギー依存性: 吸収断面積は波長やエネルギーによって変化。共鳴吸収などエネルギー特性が重要になる。
近似と前提: 均質介質・単色光・薄層近似など、実務では状況に応じて式が簡略化される。