教科書(物理) 類題8:核反応とエネルギー

解法

直感的理解

核反応で放出されるエネルギーは、反応前後の質量差(質量欠損)から \(E = \Delta m \cdot c^2\) で求めます。

Step 1:反応前後の質量の差

$$ \Delta m = (m_{\text{反応前の合計}}) - (m_{\text{反応後の合計}}) $$

Step 2:エネルギーへの変換

$$ E = \Delta m \times c^2 $$

質量を u 単位で求めた場合は、\(E\) [MeV] = \(\Delta m\) [u] × 931.5 で変換できます。

Step 3:具体的な数値計算

質量欠損が \(\Delta m = 0.0188\) u のとき:

$$ E = 0.0188 \times 931.5 = 17.5 \;\text{MeV} $$

ジュールに変換(1 MeV = \(1.60 \times 10^{-13}\) J):

$$ E = 17.5 \times 1.60 \times 10^{-13} = 2.80 \times 10^{-12} \;\text{J} $$
答え:
$$E = \Delta m \times 931.5 \fallingdotseq 17.5 \text{ MeV}$$
補足:核反応エネルギーのスケール

化学反応のエネルギーは数 eV 程度ですが、核反応では数 MeV(百万 eV)に達します。1 u の質量欠損が 931.5 MeV に相当するため、わずかな質量差が膨大なエネルギーを生みます。

Point

核反応のエネルギーは化学反応(数 eV)と比べて桁違いに大きい(数 MeV = 数百万 eV)。これが原子力のエネルギー源です。