基本例題104 結合エネルギー

設問(1) ${}^{12}\text{C}$ の結合エネルギー

直感的理解
核子1個あたりの結合エネルギーが大きいほど原子核は安定です。鉄($A \fallingdotseq 56$)付近で最大になるため、軽い原子核は核融合、重い原子核は核分裂で安定化し、エネルギーを放出します。

${}^{12}\text{C}$: 核子数 $A = 12$、グラフより核子1個あたりの結合エネルギーは 7.7 MeV。

答え:
$$E_{{}^{12}\text{C}} \fallingdotseq 92 \text{ MeV}$$
Point

全結合エネルギー = 核子1個あたりの結合エネルギー $\times$ 核子数 $A$。

設問(2) ${}^{12}\text{C}$ の質量欠損は電子質量の何倍か

直感的理解
結合エネルギーと $E = mc^2$ から質量欠損を求め、電子の静止質量エネルギー0.51 MeVと比較します。

$\Delta m c^2 = 92.4$ MeV、電子の静止エネルギー $m_e c^2 = 0.51$ MeV より:

$$\frac{\Delta m}{m_e} = \frac{92.4}{0.51} \fallingdotseq 1.8 \times 10^2 \text{ 倍}$$
答え:
$$\fallingdotseq 1.8 \times 10^2 \text{ 倍}$$
Point

質量欠損は電子質量の約180倍。核力の結合は電磁気力よりはるかに強い。

設問(3) 核融合 ${}^3\text{H} + {}^2\text{H} \to {}^4\text{He} + n$ のエネルギー

直感的理解
核融合では反応前後の結合エネルギーの差がエネルギーとして放出されます。

反応前の結合エネルギーの合計:$2.7 \times 3 + 1.1 \times 2 = 10.3$ MeV

反応後の結合エネルギー:$7.1 \times 4 = 28.4$ MeV

放出エネルギー:$28.4 - 10.3 = 18.1 \fallingdotseq 18$ MeV

答え:
$$\fallingdotseq 18 \text{ MeV}$$
Point

核反応のエネルギー = 反応後の結合エネルギー合計 - 反応前の結合エネルギー合計。

設問(4) ${}^{235}\text{U}$ の核分裂エネルギー

直感的理解
ウランが質量数ほぼ等しい2つの原子核に分裂すると、核子1個あたりの結合エネルギーが増加し、その差分がエネルギーとして放出されます。

${}^{235}\text{U}$: 核子あたり 7.6 MeV → 生成核($A \fallingdotseq 120$付近): 核子あたり 8.5 MeV

差:$(8.5 - 7.6) \times 235 = 211.5 \fallingdotseq 200$ MeV

答え:
$$\fallingdotseq 200 \text{ MeV}$$
Point

核分裂1回あたり約200 MeV。核融合(D-T反応)1回あたり約18 MeV。核子1個あたりでは核融合の方が大きい。

設問(5) 核融合と核分裂の理由

直感的理解
核子1個あたりの結合エネルギーグラフの山($A \fallingdotseq 56$)に向かう反応がエネルギーを放出します。

軽い原子核では核融合、重い原子核では核分裂により、核子1個あたりの結合エネルギーがより大きい安定な原子核に変換されるためです。

答え:
軽い原子核は核融合、重い原子核は核分裂により、核子1個あたりの結合エネルギーの大きい安定な原子核に変換され、その差に相当するエネルギーが放出されるから。
補足:エネルギー保存と散逸

摩擦がある場合は力学的エネルギーの一部が熱エネルギーに変わりますが、全エネルギー(力学的+熱)は保存されます。

結合エネルギーの具体計算

${}^{4}_{2}\text{He}$(質量 $4.0026$ u)の結合エネルギーを求めます。核子の質量は $m_p = 1.0073$ u, $m_n = 1.0087$ u。

$$\Delta m = 2 m_p + 2 m_n - M({}^{4}\text{He}) = 2 \times 1.0073 + 2 \times 1.0087 - 4.0026$$ $$\Delta m = 4.032 - 4.0026 = 0.0294 \text{ u}$$

結合エネルギーは

$$B = \Delta m \cdot c^2 = 0.0294 \times 931 \fallingdotseq 27.4 \text{ MeV}$$

核子1個あたりは

$$\frac{B}{A} = \frac{27.4}{4} \fallingdotseq 6.85 \text{ MeV/核子}$$

${}^{56}$Fe 付近($B/A \fallingdotseq 8.8$ MeV)がピークで、ここに向かう核反応が発熱反応となります。

数値まとめ:${}^{4}$He の結合エネルギー 27.4 MeV = 4.4 J × 10-12、核子1個あたり 6.85 MeV = 1.1 J × 10-12。${}^{56}$Fe のピーク値 8.8 MeV/核子 = 1.4 J × 10-12。1 u = 1.66 kg × 10-27 = 931 MeV です。

Point

結合エネルギー曲線のピーク($A \fallingdotseq 56$)に向かう反応がエネルギー放出反応。