物理ネコ教室281核エネルギー

　湯川秀樹が中間子理論により、日本人初のノーベル賞を受賞したのは１９４９年のこと。１９３５年に発表した核力と中間子の論文で。敗戦で打ちのめされていた日本人にとっても、大いに元気づけられるできごとでした。

　いよいよ、素粒子の世界へ入っていきます。

　素粒子と核反応に関しては、高校ではそれほど難しい話題は登場しません。

　１の「ユカワメソン（ユカワの中間子）」は、素粒子時代の幕開けを告げる発見でした。第二次世界大戦で世界標準の物理学研究から孤立していた日本で、湯川の中間子理論のようなすぐれた業績が生まれたことは、世界の関係者の驚嘆を呼びました。戦後、最初に開かれた物理学の国際会議が日本で行われたのは、世界中の科学者から日本の研究者に対するエールの意味が込められていたといわれます。

　２の保存量は、宇宙で揺るぎのない４つの保存量をあげてもらいます。じつは、どれも今までの高校物理で習った保存量ばかりなので、本当は答えられないといけないのですが・・・

　今までの経験では、そのうち３つまでは、高校生でもちょっと考えれば思いつきます。

　３は高校レベルの核エネルギー計算です。

　それほど難しくありませんが、慣れていないので、高校生にとっては、すこし練習しないと、問題を解くのは難しいでしょう。

　４は核エネルギーを結合エネルギーから求める計算方法ですが、前回指摘したように、高校の教科書には、プリントのグラフではなく、結合エネルギーのグラフが使われています。上下を逆にしただけなので、計算自体はやりかたを覚えればできるようになりますが、その意味はわかりませんね。プリントのグラフなら、エネルギーが下がる分が核エネルギーとして解放されるのがよくわかります。

　イメージ的には、重力の位置エネルギーに相当するグラフがプリントのグラフで、位置エネルギーが下がった分は運動エネルギーとして「解放」される、といったところです。

　ところで、核反応で解放される核エネルギーですが、具体的には、生成した新粒子の運動エネルギーとなります。スゴイ勢いで新粒子が飛び散ることになりますね。

　では、書き込みを見て行きましょう。

１【中間子理論と核力の正体】

　書き込みの通りなのですが、湯川論文のすごさは、核力の形を数式化しただけでなく、その核力のエネルギーに相当する質量の第３の粒子が、陽子と中性子の間でキャッチボールされて核力を伝達していると発想したことです。のち、湯川自身が「欧米はイエスかノーの２択だが、日本には３すくみのジャンケンがある」と述懐しています。

　第３の粒子は陽子や中性子ほど重くないが、電子よりはずっと重い粒子で、湯川は「中間子（メソン）」と名づけました。

　力の伝達が粒子によって行われるというイメージは、これ以降、素粒子の世界では基本的な考え方になっていきます。

　そして、十年ほど経って、湯川の予言したのと同じ質量の粒子が発見され、「湯川の中間子」は一躍有名になりました。現在でも「ユカワメソン」という通称が使われるほどです。

２【核反応の保存量】

　核反応のようなエネルギーレベルの高い反応でも、守られている保存法則が４つあります。

　プリントの表の順だと・・・

　まず、核子数の保存。これは、α崩壊・β崩壊のさいにさらりと教えた内容なので、さすがに「保存則」というイメージは固まっていないようです。高校生が答えられないのは、これ。

　それから、電荷数の保存。これはもっと端的に、電荷の保存といったほうがわかりやすいでしょう。電荷の保存については、思いつく生徒がけっこういます。

　３つめがエネルギーの保存。これに続いて「質量の保存」と答える生徒が必ずいますが、残念ながら、エネルギー保存と質量保存は、アインシュタインのＥ＝ｍｃ＾２により、同じ法則ですので、一つにまとめておきます。

　４つめは運動量。これは、よく勉強している生徒なら答えられますね。

３【核エネルギー】

　質量欠損とＥ＝ｍｃ＾２を用いて、さらに粒子の運動エネルギーも含めて、エネルギー保存を用いる例題です。もちろん、粒子の衝突に関して、運動量も保存されますから、入試問題ではそれも含めた問題が出題されます。