原子核物理学：物理学解体新書

原子核分裂

アインシュタインは特殊相対性理論の中で質量とエネルギーが相互に変換できることを導き出した。
E=mc²、つまり、質量に光速の二乗をかけたものがエネルギーに変換しうるというわけだ。

例えば1gの物質をエネルギーに変換した場合、得られるエネルギーはＪだ。

ここに陽子92個、中性子143個の合計235個がバラバラの状態であったとする。
核子１個の質量をMとした場合、これらを合計した質量は235 Mとなる。(陽子と中性子に質量の差はないとして)

では、この235個を用いて²³⁵Uの原子核を作った場合、質量はどうなるか？
答えは235 Mよりも小さくなる。
核子同士が結合するためのエネルギーとして質量が減ったのだ。これを質量欠損という。

さて、ここで核子1個あたりの質量欠損を見てみよう。
つまり原子核全体での質量欠損を核子の数で割ればいいのだ。
核子1個あたりの質量欠損は原子番号によって異なり、鉛あたりでピークとなる。

ここにエネルギーを取り出すためのヒントがある。
「質量数の大きい原子を分裂させる方法」、そして「質量数の小さい原子を融合する方法」である。

質量数の大きい原子を分裂させる方法とはこうだ。
例えば、²³⁵Uに中性子を衝突させる。
すると、²³⁵Uは原子番号40～60位の原子二つに分裂する。（具体的にどんな原子になるかは偶然に左右される）ところが40～60位の原子は、核子1個あたりの質量欠損が²³⁵Uに比較して大きい。

²³⁵が分裂して生成された原子核は、質量が余ってしまうのだ。
この余った質量がE=mc²の関係式によってエネルギーとして取り出されることになる。

この原理を産業に利用した場合が原子力発電であり、兵器に導入すれば原子爆弾となる。

質量数の小さい原子を融合する方法として、水素核融合反応がある。
水素核融合反応は太陽が光輝くメカニズムでもある。

²³⁵Uに中性子が衝突した場合の反応を見てみよう。

この反応では核が二つに分裂する以外に中性子が２～３個生成される。
この中性子が近くにある別の²³⁵Uに衝突すると、これも分裂し中性子を２～３個生成する。

周囲に²³⁵Uが十分にあれば、この反応は順次連続して発生する。
これを連鎖反応という。

この連鎖反応が及ぼす効果は大きい。
１個の原子核が分裂してエネルギーを開放する同時に、中性子の放出により他の原子核の分裂も促すからである。

分裂一回あたりの放出される中性子の数を調整できれば、連鎖反応のスピードを制御できることになり、定常的に熱を取り出すことができる。これが原子炉だ。

原子炉では、制御棒を炉心に出し入れすることにより、中性子の吸収量を変化させ、連鎖反応のスピードを制御している。

原子・原子核用語も参照してください。

2005/06/18/