原子核物理学

原子核分裂

結合エネルギー

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。

原子・原子核用語も参照してください。

2005/06/18/

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