核分裂:定義、プロセス、および応用

核分裂 原子核が 2 つ以上のより小さく軽い核に分裂する核反応または放射性崩壊過程です。このプロセスでは多くの場合、ガンマ光子が生成され、大量のエネルギーが放出されます。 「分裂」という用語は、ラテン語のフィシオに由来しています。 、これは「劈開」または「分割」を意味します。

発見の歴史

核分裂の現象は、1930 年代後半にドイツの物理学者オットー ハーンとフリッツ シュトラスマンによって発見されました。ハーンとストラスマンは、ウランに中性子を照射したときの生成物が、バリウム、ランタン、およびウランより軽い他の元素の同位体であることを証明しました。リーゼ・マイトナーとオットー・フリッシュは、重い原子核がほぼ同じサイズの 2 つの破片に崩壊することを表す「分裂」という用語を作りました。核分裂の発見は、原子力時代と原子力と核兵器の両方の開発につながりました。

核分裂と核融合

核分裂は核融合の逆です。核分裂は、重くて不安定な原子核を 2 つのより軽い原子核に分割することを伴いますが、融合は 2 つの軽い原子核が結合してより重い原子核を形成するプロセスです。どちらも変容の一形態です。 、ある要素が別の要素に変化します。

核分裂では、ウランやプルトニウムなどの重い原子の原子核が、少数の中性子と大量のエネルギーとともに 2 つ以上の小さな原子核に分裂します。逆に、核融合には 2 つの軽い元素、通常は水素の同位体 (重水素と三重水素) が含まれ、非常に高い温度と圧力の条件下で融合してより重い原子核を形成し、その過程でエネルギーを放出します。

自発的核分裂と誘導核分裂

核分裂には、自発核分裂と誘導核分裂の 2 種類があります。

自然核分裂 、名前が示すように、自然に発生します。これは、ウランやプルトニウムの特定の同位体を含む、最も重い同位体のみに見られる放射性崩壊の一形態です。自発的核分裂が起こる確率は一般に非常に低く、アルファ崩壊やベータ崩壊などの他の形態の崩壊と同時に発生します。自発的核分裂の例は、カリホルニウム 252 がキセノン 140、ルテニウム 108、および 4 つの中性子に崩壊することです。

誘導核分裂 一方、原子核が中性子（または場合によっては別の粒子）を吸収するときに発生します。中性子からの追加エネルギーは、すでに不安定な原子核の分裂を引き起こします。このプロセスは原子炉や核兵器に利用されています。誘発核分裂の例は、プルトニウム 239 が中性子を吸収し、キセノン 134、ジルコニウム 103、および 3 つの中性子に分裂する反応です。

核分裂連鎖反応

核分裂における連鎖反応は、反応生成物または副生成物がさらなる反応を引き起こす一連の反応です。核分裂連鎖反応は、1 つの単一の反応が他の複数の反応を開始するため、自己持続的です。

たとえば、原子炉内の一般的な同位体であるウラン 235 (U-235) が関与する連鎖反応を考えてみましょう。

反応は次のとおりです。

U-235 + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n + エネルギー

原子力発電所では、核分裂速度を一定に維持するために連鎖反応が慎重に制御されますが、核兵器では連鎖反応が爆発的な速度で進行します。

核分裂の主な性質

核分裂は、反応物と生成物の間の質量差によって特徴付けられます。これは、アインシュタインの方程式 E=mc2 で有名に概説されている質量エネルギー等価性の原理によるものです。核分裂が起こると、結果として生じる粒子の合計質量は元の質量よりも小さくなります。この「失われた」質量はエネルギーに変換され、核分裂プロセス中に放出されます。

核分裂反応で生成されるエネルギーは主に、核分裂生成物の運動運動とガンマ線の形の光子から得られます。 1 回の核分裂イベントで約 200 MeV (100 万電子ボルト) のエネルギーが放出されることがあります。これは、通常の化学反応によって放出されるエネルギーのおよそ 100 万倍です。

核分裂性 vs 核分裂性

核分裂に関連してよく混同される 2 つの用語は、「核分裂性」と「核分裂性」です。 核分裂性のもの 核種とは、低エネルギーまたは高エネルギーの中性子を捕捉した後、（反応がまれにしか起こらない場合でも）核分裂を起こすことができる核種です。 核分裂性物質です。 核種は、低エネルギーの中性子を吸収すると、高い確率で核分裂する核種です。 U-238は核分裂性ですが、核分裂性ではありません。 U-235 は核分裂しやすく、核分裂しやすいものです。

核分裂の利用とその安全性

核分裂は、原子力発電所や核兵器における役割として最もよく知られています。原子力発電所では、制御された核分裂連鎖反応から発生する熱によって蒸気が生成され、その蒸気がタービンを駆動して発電します。

しかし、核分裂の利用にはリスクがないわけではありません。原子力発電所で生成される放射性廃棄物の安全な管理には大きな懸念があります。さらに、チェルノブイリや福島の災害などの原子力事故の可能性により、安全性と環境への懸念が高まります。

参考文献

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