原子核物理?
放射性崩? 核分裂反? 原子核融合
放射性崩? アルファ崩? ? ベ?タ崩? ? ガンマ崩? その他の崩? 二重ベ?タ崩? ? 二重電子捕獲 ? ?部?換 ? 核異性??移 ? クラスタ崩? ? 自?核分裂 放出過程 中性子放出 ? 陽電子放出 ? 陽子放出 捕獲 電子捕獲 ? 陽子捕獲 ? 中性子捕獲 R ? S ? P ? Rp 高エネルギ?反? 核破?反? ? 宇宙線による核破? ? 光分解 元素合成 恒星?元素合成 ビッグバン原子核合成 宇宙の元素合成 科?者 ベクレル ? ベ?テ ? キュリ? ? フェルミ ? ラザフォ?ド ? バ?バ?
表 話 編 ?

核分裂反? （かくぶんれつはんのう、 英 : nuclear fission ）とは、 原子核 が分裂して同程度の大きさの 原子核 に分かれること。 核分裂 または 原子核分裂 ともいう。 1938年 に、 オット??ハ?ン と フリッツ?シュトラスマン らが天然ウランに低速中性子(slow neutron)を照射し、反?生成物に バリウム の同位?を?見した。この結果を リ?ゼ?マイトナ? と オット??ロベルト?フリッシュ らがウランの核分裂反?であると解?し、fission（核分裂）の語を?てた ^[1] 。

?要 [ 編集 ]

核分裂反?は主に以下の原因で?生する。

1. 核分裂しやすい核種（ 核分裂性物質 ）に 中性子 が衝突する（誘導核分裂）
2. 超ウラン元素 などの 不安定な原子核 が自?的に分裂する（ 自?核分裂 ）

前者の例として ウラン235 など、後者の例としては プルトニウム240 などが?げられる。

なお、原子核の分裂を伴う 核反? として ヘリウム 核（ アルファ粒子 ）や 陽子 などを放出するものが知られているが、これらは 荷電粒子放出反? と呼ばれ、核分裂とは?別される ^[2] 。

核分裂反?では主に、 中性子?熱エネルギ?（ 崩?熱 ）?核分裂生成物 が生成される。

この中性子が別の核分裂性物質の原子核に吸?されると 連鎖反? が起き、次??熱反?を伴う核分裂反?が起きる。このことにより、連鎖反?で一度に大量の 熱エネルギ? を生成する事ができる。 原子力?電 や 原子爆? はこの連鎖反?を?用したものである。

ウラン235の核分裂反? [ 編集 ]

核分裂反?の特に有名な例として ウラン235 の核分裂反?が?げられる。ウラン?で産出する 天然ウラン には、核分裂しやすいウラン235とほとんど核分裂しないウラン234、ウラン238が含まれている。ウラン235が中性子を吸?すると、原子核が不安定になり、エネルギ?を放出して二つの原子核と幾つかの 高速中性子 への分裂

${\displaystyle {}^{235}{\rm {U}}+{\rm {n}}\rightarrow {}^{95}{\rm {Y}}+{}^{139}{\rm {I}}+2{\rm {n}}}$

が起きる ^{[注? 1]} 。この反?ではイットリウム95 とヨウ素139 が生成されるが、上式で元素記?の左肩に示した 質量? は 原子核 の中に存在する 陽子 と中性子の和であり、反?の前後において質量?は保存される ^[3] 。

しかし、質量?はあくまで陽子と中性子の?和であって質量ではなく、?際の原子核の質量は一般に質量?である陽子と中性子の質量の?和よりも小さい。この質量差を 質量欠損 と呼び、原子核?部の結合エネルギ?に相?する。質量欠損と結合エネルギ?の?係式は、質量とエネルギ?の?係式E=mc²（ 特殊相?性理論 ）で表される。よって、原子が核分裂を起こすとこの質量の差に相?するエネルギ?が外部に放出される。

上記ウラン235の核分裂反?で放出されるエネルギ?はウラン原子一つあたり約3.2×10 ^-11 J となる。 アボガドロ定? を N _A 、質量?を A として、ウラン235 1グラムあたりに含まれる原子?は

${\displaystyle {\frac {N_{A}}{A}}={\frac {6.02\times 10^{23}\;\mathrm {mol} ^{-1}}{235\;\mathrm {g/mol} }}=2.56\times 10^{21}\;\mathrm {g} ^{-1}}$

であるから、1グラムのウラン235、すなわち2.56×10 ²¹ 個のウラン235が全て核分裂を起こすと

${\displaystyle (3.2\times 10^{-11}\;\mathrm {J} )\times (2.56\times 10^{21}\;\mathrm {g} ^{-1})=8.2\times 10^{10}\;\mathrm {J/g} }$

とおよそ 8.21×10 ¹⁰ J のエネルギ?が生まれる事になる ^{[注? 2]} 。これは、1世?が消費するエネルギ? ^[4] の約2年半分に相?する。

?見 [ 編集 ]

核分裂は40年以上にわたる 放射能 の科?と、原子の構成要素を?明する新しい 核物理? の?究を?て、 1938年 、 カイザ??ヴィルヘルム化?協? （現在の ベルリン自由大? ）の建物?で?見された。

1911年 、 ア?ネスト?ラザフォ?ド は、非常に小さくて高密度の正 電荷 を?びた陽子の原子核の周りを、負電荷を?びた電子が回っているという原子モデル（ ラザフォ?ドモデル ） ^[5] を提唱し、 1913年 には ニ?ルス?ボ?ア がこれを改良して電子の量子的な振る舞いを整合させた（ ボ?アモデル ）。のちに アンリ?ベクレル 、 マリ?キュリ? 、 ピエ?ル?キュリ? 、ラザフォ?ドらの?究により、原子核はさまざまな形で放射性崩?を起こし、他の元素に?化することが明らかにされた。 核?換 の??はいくつか行われており、1917年、ラザフォ?ドは 窒素 に向けたアルファ粒子を使って、窒素から 酸素 への核?換 ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p  を成功させた。これは核反?を初めて?測したものである。1932年、ラザフォ?ドの同僚である ア?ネスト?ウォルトン と ジョン?コッククロフト は、 リチウム7 に加速した陽子を衝突させ、2つのアルファ粒子に分裂させるという、完全に人工的な核反??核?換を達成した ^[6] 。この??結果は核分裂反?ではないが、「原子の分割」としてその偉業が知られ、「人工的に加速された原子粒子による原子核の?換」で 1951年 の ノ?ベル物理?賞 を受賞した 。

イギリス の物理?者 ジェ?ムズ?チャドウィック が 1932年 に中性子を?見 ^[7] した後、 エンリコ?フェルミ らは、 1934年 にウランに中性子を照射して生じた物質について?究を行った ^[8] 。 フェルミは、この??で93個と94個の陽子を持つ新元素が生まれたと結論づけ、?究グル?プはそれぞれアウソニウムとヘスペリウムと名付けた。しかし、フェルミは「中性子照射によって生成された新しい 放射性元素 の存在を?明したこと、および 低速中性子 によって引き起こされる核反?を?見したこと」により、 1938年 にノ?ベル物理?賞を受賞することになるが、?時フェルミの分析結果に納得する人は少なかった。

フェルミのこの報告の後、 オット??ハ?ン 、 リ?ゼ?マイトナ? 、 フリッツ?シュトラスマン らが ベルリン で同?の??を始めた。ハ?ンは原子核の破裂を示唆していたが、その結果の物理的根?は未だ不明であった。バリウムの原子質量はウランより40％も小さく、これまで知られていた放射性崩?の方法では、原子核の質量がこれほど大きく違うことを?明できなかったためである。フリッツは半信半疑だったが、マイトナ?はハ?ンの化?者としての能力を信?していたため、マイトナ?とフリッツは、ハ?ンの結果を「ウランの原子核が半分になった」と解?した。フリッツは、生物の 細胞 が2つの細胞に分裂する過程をbinary fission（二分裂）と呼ぶのになぞらえて、この過程をnuclear fission（核分裂）と呼ぶことを提案した。核のchain reaction（連鎖反?）という言葉が後に化?から借りてきたように、fission（分裂）という言葉も 生物? から借りてきたものである。

1939年 1月25日、 コロンビア大? のチ?ムは、 ピュ?ピンホ?ル の地下で、 アメリカ で最初の核分裂??を行った。この??では、 酸化ウラン を 電離箱 に入れて中性子を照射し、放出されたエネルギ?を測定した。その結果、核分裂が起きていることが確認され、特にウラン235という同位?が核分裂を起こしていることが?く示唆されたのである。翌日、 ワシントンD.C. では、 ジョ?ジ?ワシントン大? と カ?ネギ?協? の共催による「第5回ワシントン理論物理??議」で核分裂のニュ?スがさらに?まることとなり、????が盛んに行われるようになった ^[9] 。

核分裂生成物 [ 編集 ]

核分裂の過程で原子核が分裂してできた核種を 核分裂生成物 という。核分裂片ともいう。分裂するときに 魔法? に近い安定な原子核になろうとするため通常二等分になることはなく、質量?140程度と95程度の核に分裂することが多い。

核分裂生成物がどの核種になるかはある確率で決まる。この確率を ?率 という。核分裂する核種によって異なる?率分布をもっているので、核分裂生成物を分析すれば核反?を起こした親核種が判る。 例えばウラン235が核分裂を起こした場合その核分裂生成物は80種類程度生じ、質量?は72から160と?範?に分布している。これらは質量?90と140付近の ピ?ク を中心として鞍型の分布をなしている。

核分裂生成物は??な核種の混合物であるが、?じて陽子?と中性子?との均衡を欠いており 放射能 を持つ。これらの 放射性同位? は、陽子と中性子の均衡が保てるところまで ?? （主に ベ?タ崩? ）を繰り返す。 核分裂生成物の中には中性子を吸?すると比較的安定な核種になる物質が含まれる。このような物質は、原子?に蓄積して核分裂連鎖反?を阻害するため、毒に例えて 中性子毒 あるいは?に 毒物質 と呼ばれる。原子?を停止したり出力を?えた場合、放射性の毒物質の存在量は時間とともに?化するため、原子?の?動を不安定にする要因となる。

これらの崩?速度は??で、?秒から?ヶ月でほぼ崩?しつくす短?命の核種、100年?位の中?命の核種、そして 半減期 すら20万年を超える長?命の核種が知られている。放射性物質は基本的には ?命 が短いほど少量でも 放射能 が?いものの短期間ですぐに減衰するが、逆に長?命であれば放射能は少量ならば弱い（大量にあれば?然?い）が、時間が?ってもなかなか減らないという性質を持っている（ 比放射能 も?照）。

短?中?命核種は盛んに放射線を放って崩?するため少量でも放射能が大きく、例えば 1945年 に 原子爆? の被害を受けた ?島市 と 長崎市 では、 被爆者 だけでなく家族や知人の行方を?すため 爆心地 周?に後日立ち入った人?が重篤な 放射線障害 を受けた原因となっている。

一方、長?命核種は放射能は小さいが?命が?万年以上に達するものもあり、大量に存在すると人間社?の尺度では半永久的に放射線を放ち?けることになる。このことは原子?の 使用?み核燃料 の?分において重大な課題であり、 ガラス固化? に加工したのちに地中深くに保管する 地層?分 などの手段が?討されている。

このように多?の核種から構成されている核分裂生成物であるが、核分裂が起こってからt分?過した後の全ての核分裂生成物の合計の放射能の?さの減衰は一定であり、

${\displaystyle A(t)=A_{0}t^{-\alpha }}$

で?えられる。ここで A ₀ は t = 0 つまり核分裂が起こった時点の放射能の?さ、αは定?であり1.2である ^[10] 。

核分裂?率の一? [ 編集 ]

以下では熱中性子によるウラン235およびプルトニウム239のおもな核分裂生成物の表を?える ^[11] 。?水?等では熱中性子により核分裂を起こすため、原子力事故等で放出される核種は熱中性子による核分裂生成物となる。高速中性子による核分裂での?率は異なるため、 高速?殖? の事故や 原子爆? の爆?などでは、核分裂生成物の?率は異なる。

ウラン235?プルトニウム239の熱中性子による核分裂で生じる主な核分裂生成物

生成物	ウラン235の?率	プルトニウム239の?率	半減期	備考
セシウム 133	6.70%	7.02%	安定	一部は中性子捕獲により半減期約2年の セシウム134 になる
ヨウ素 135	6.28%	6.54%	6.57h	崩?で生成する キセノン 135は原子?でもっとも主要な毒物質で10-50%が中性子捕獲によりキセノン136になり、?りは半減期9.14hでセシウム135になる。
ジルコニウム 93	6.30%	3.80%	1.53My
セシウム137	6.19%	6.61%	30.17y
テクネチウム 99	6.05%	N/A	211ky
ストロンチウム 89	4.73%	1.72%	50.53d
ストロンチウム 90	5.75%	2.10%	28.9y
ヨウ素131	2.83%	3.86%	8.02d
プロメチウム 147	2.27%	N/A	2.62y
サマリウム 149	1.09%	1.22%	安定	主要な毒物質のひとつ
ヨウ素 129	0.543%	1.37%	15.7My
キセノン133	6.70%	7.02%	5.2475d

脚注 [ 編集 ]

注? [ 編集 ]

出典 [ 編集 ]

?連項目 [ 編集 ]

• 原子核反?
• 核分裂連鎖反?
• 毒物質
• 自?核分裂
• 核分裂性物質
  • ウラン235
  • プルトニウム239

外部リンク [ 編集 ]

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  • 原子核物理の基礎（1）原子核の構造　(原子力百科事典　ATOMICA)
  • 原子核物理の基礎（2）原子核の??　(原子力百科事典　ATOMICA)
  • 原子核物理の基礎（3）核反?　(原子力百科事典　ATOMICA)
  • 原子核物理の基礎（4）核分裂反?　(原子力百科事典　ATOMICA)
  • 原子?物理の基礎（1）原子?の構造と核分裂連鎖反?　(原子力百科事典　ATOMICA)
• 『 核分裂反? 』 - コトバンク