問題148 核反応

解説

直感的理解
ウラン235の核分裂は、中性子が衝突して原子核が2つに割れる反応です。このとき複数の中性子が放出され、連鎖反応を引き起こします。

$${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow \text{(2つの原子核)} + \text{(複数の中性子)} + \text{エネルギー}$$

ア = ②中性子(ウランに衝突するもの)

イ = ④核分裂(原子核が分かれる反応)

ウ = ⑦連鎖反応(核分裂で放出された中性子がさらに核分裂を引き起こす)

数値計算:核分裂反応:

$${}^{235}_{92}\text{U} + n \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3n$$ $$235+1 = 141+92+3 = 236 \text{(保存)}$$ $$\text{1回} \fallingdotseq 200 \text{ MeV} = 3.2 \times 10^{-11} \text{ J}$$
答え: ア②中性子 イ④核分裂 ウ⑦連鎖反応
補足:仕事とエネルギーの関係

仕事-エネルギー定理より、合力がした仕事は運動エネルギーの変化に等しい:

$$W_{\text{合}} = \Delta E_k = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2$$

数値計算:質量欠損 \(\Delta m = 0.030\) u のとき(\(1\) u \(= 931.5\) MeV/c²):

$$E = \Delta m \times 931.5 = 0.030 \times 931.5 = 27.9 \text{ MeV}$$ $$= 27.9 \times 1.6 \times 10^{-13} = 4.5 \times 10^{-12} \text{ J}$$
Point

核分裂:中性子が衝突 → 原子核が分裂 → 中性子放出 → 連鎖反応。臨界=連鎖反応が持続する状態。

数値例で確認

上で導いた結果に具体的な数値を代入し、計算の流れを確認します。

核反応で放出されるエネルギーを計算する。質量欠損 \(\Delta m = 3.2\times 10^{-29}\) kg, \(c = 3.0\times 10^8\) m/s とすると:

$$E = \Delta m\, c^2 = 3.2\times 10^{-29} \times (3.0\times 10^8)^2$$ $$E = 3.2\times 10^{-29} \times 9.0\times 10^{16} = 2.88\times 10^{-12} \text{ J}$$ $$E \fallingdotseq \frac{2.88\times 10^{-12}}{1.6\times 10^{-19}} = 1.8\times 10^7 \text{ eV} = 18 \text{ MeV}$$
Point

記号の式に具体的な数値を代入することで、オーダー (桁) と単位を同時に検算できる。入試でも概数での検算は有効。