コア コンセプト
このチュートリアルでは、核反応についてすべて学びます .これには、核反応の紹介と、それらの方程式の書き方に関する議論が含まれます。また、核分裂、核融合、放射性崩壊など、さまざまな種類の核反応についても検討します。
他の記事で取り上げるトピック
- 原子の構造
- 陽子、中性子、電子の数を見つける方法
- 同位体の存在量と平均原子質量
- 周期表の読み方
核反応入門
核反応とは何ですか？私たちが知っている化学のほとんどは、原子と分子の間の反応を扱っています。化合物の化学的性質は劇的に変化する可能性がありますが、原子の同一性はこれらの反応において一定のままです。
一方、核反応は原子核を変更します。これにより、原子をある元素から別の元素に変更したり、元素のさまざまな同位体を作成したり、自然界には存在しない新しい元素を生成したりすることさえできます.
20 世紀後半から 21 世紀初頭にかけて発見された合成元素の多くは、核反応によって作成されました。それらのほとんどは、崩壊する前にほんの一瞬しか安定していません!
核反応方程式を書く
核反応を記述するには、通常の化学反応式で提供するのに慣れている情報とは少し異なる情報が必要です。ここでは同じアトムで開始および終了することがありますが、何が変化しているのかをどのように示すのでしょうか?方程式で使用される各原子核または素粒子の質量と原子番号を示す必要があります。これを行う方法は、記号の左側に上付き文字と下付き文字を付けて各粒子を書くことです。
たとえば、以下は、125 個の中性子と 82 個の陽子を持つ鉛の同位体である鉛 207 の記号です。陽子の数は核電荷に等しく、元素記号の前に添字として付きます。陽子と中性子の総数は、最終的な文字を生成するために、それをわずかに上回ります。
このような通常の原子核に加えて、元素記号を持たない素粒子 (電子、陽電子、ニュートリノ、反ニュートリノなど) も存在します。電子は、電荷が -1 で質量が 0 の e またはギリシャ文字のベータとして表記されます (1 amu または陽子の質量よりもはるかに軽いため、これは近似値です)。陽電子も同じですが、電荷には p (またはギリシャ文字のベータ) と正の 1 を使用します。ニュートリノはギリシャ文字のミューで表され、電荷と質量はゼロです。反ニュートリノは、それらを区別するために記号の上に棒を持っているだけです。以下に、多くの一般的な助詞の書き方を示します。
核反応の種類
核分裂反応
核反応の最もよく知られているカテゴリの 1 つは、核分裂反応です。核分裂は、核が半分に分割され、2 つの小さな核が生成されることです。いくつかの非常に重い元素は自然に核分裂を起こしますが、ほとんどの元素は微調整を必要とします。このナッジは通常、原子核に衝突する中性子によって提供されます。
融合反応
別のタイプの核反応は核融合反応です。事実上、核分裂反応の逆であるこのタイプは、2 つの原子核を組み合わせて 3 番目の重い原子核を形成することを含みます。
核融合は大量のエネルギーを放出するため、SF ストーリーの一般的な要素です。現在、エネルギーを生成するのに有用な条件下で核融合を達成することは困難ですが、より優れた核融合炉の開発は研究のホットな分野です!
放射性崩壊
放射性核種は時間の経過とともに「崩壊」または別の状態に分解します。これを行うと、粒子が環境に放出されます。これは、潜在的に有用である可能性があります。例としては、アルファ粒子、高エネルギー電子またはベータ粒子、高エネルギー光子またはガンマ粒子があります。
放射性崩壊の速度は、「半減期」と呼ばれるものを使用して測定されます。半減期の定義は、サンプル内の元の原子の半分が崩壊するのにかかる時間であり、記号 t1/2 で表されます .これが何を意味するかを理解するために、半減期が 5 分の 16 個の原子のサンプルがあるとします。 5 分後、平均して、これらの原子のうち 8 つだけが残ります。残りの 8 つは別のものに崩壊します。 10 分 (半減期 2 回) 後、平均 12 個の原子が崩壊します。前の 8 個と残りの 8 個の半分です。15 分 (半減期 3 回) 後、平均 14 個の原子が崩壊します。 2つだけ残します。最終的に、20 分後には原子が 1 つだけ残ります。
個々の原子がいつ崩壊するかはわからないため、「平均的に」としか言えません。一般的な崩壊率だけです。上記の実験を実際に実行すると、異なる結果が得られる可能性があります。ただし、何度も実行すると、結果は説明したものにどんどん近づきます。
アルファ崩壊
アルファ崩壊は核分裂の一種です。この変種では、新しい原子核の 1 つは常にヘリウム原子核 (2 つの陽子と 2 つの中性子) です。これは、他の積を計算するには、陽子 2 個と質量単位 4 個を引くだけでよいことを意味します。たとえば、ウラン 238 がアルファ崩壊すると、アルファ粒子とトリウム 234 の原子が生成されます。下には、共通同位体である U-235 から始まり、トリウム 231 が形成される別のウラン崩壊が見られます。以下に示すのは、この反応を記述する 2 つの一般的な方法です (1 つはアルファ粒子が積として明示的に記述され、もう 1 つは省略形として反応矢印の上に記述されます)。
ベータ崩壊
放射性崩壊の 1 つのタイプでは、中性子が 2 つの部分に分解されます。ベータ粒子として知られる原子核から放出された高エネルギー電子と、原子核内に残り、1 単位の追加の正電荷を与える陽子です。 .あまり議論されていない別の亜原子粒子、反ニュートリノも生成されます。重要なことに、中性子は正と負に帯電した粒子に分裂するため、この過程で電荷が保存されます。下には、上から見たトリウム 231 から始まり、プロタクチニウム 231 に至るベータ崩壊が見られます。
電子の代わりに陽電子が生成され、反ニュートリノの代わりにニュートリノが生成される、ベータ プラス崩壊と呼ばれるベータ崩壊の変形があります。
ガンマ放出
いくつかのタイプの核反応は、核内の陽子と中性子の数の変化を伴いません。最もよく知られているガンマ放射は、ガンマ放射として知られる非常に高エネルギーの光子 (光) を放出する反応です。この放射線は生物にとって非常に危険であり、放射性物質の安全な取り扱いが非常に難しい主な理由です。
ガンマ光子の放出の理由は、原子核が高エネルギー状態から低エネルギー状態に崩壊することです。これは、電子が可視光を放出するのと同じです。主な違いは、核エネルギーレベル間のエネルギーの差がはるかに大きいことです。その結果、放出される光子はエネルギーがはるかに高く、波長が短くなります。それらを生物にとって危険にしているのは、その高いエネルギーです。それらは一種の「電離」放射線であり、DNA のような生物の機能を維持する重要な生体分子を変更することができます。
さらに読む
- ラザフォード原子モデル
- ダルトンの原子論
- 原子のボーア模型
- 核の発見:ラザフォードの金箔実験
- 電子の発見:JJ トムソンと陰極線管
