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質量欠損 - Wikipedia

質量しつりょう欠損けっそん(しつりょうけっそん、えい: mass defect[1])とは、原子核げんしかく質量しつりょうとそれを構成こうせいするかく自由じゆう状態じょうたいにあったときに観測かんそくされる質量しつりょうとのである。原子核げんしかく結合けつごうエネルギーおおきさを質量しつりょう単位たんいあらわしたものである。原子核げんしかく反応はんのうともなうエネルギー放出ほうしゅつおおきさを計算けいさんしたり、原子核げんしかく安定あんていせい議論ぎろんしたりするさいなどにもちいられる。単位たんいは MeV/c² などでしめされる。

結合けつごうエネルギーによって質量しつりょう増減ぞうげんするのは、原子核げんしかくだけにかぎらず化学かがく反応はんのうとうでもしょうじる。さらには結合けつごうエネルギーにかぎったはなしではなく、あらゆるエネルギーの生成せいせい消費しょうひともな質量しつりょう増減ぞうげんする。しかしながら原子核げんしかく場合ばあいには全体ぜんたい質量しつりょうたいする増減ぞうげん割合わりあいおおきいためにとく重要じゅうようとされる。

ある核種かくしゅについて、その原子核げんしかく質量しつりょうM質量しつりょうすうA原子げんし番号ばんごうZとし、単体たんたい陽子ようしおよび中性子ちゅうせいし質量しつりょうをそれぞれMpMnとしたときに、質量しつりょう欠損けっそんBは、

 

である。

質量しつりょう欠損けっそん起源きげん

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自由じゆう陽子ようし中性子ちゅうせいし融合ゆうごうさせると、その結合けつごうエネルギーに相当そうとうするやく2.2 MeVのガンマ線がんません放出ほうしゅつすることがられている。一方いっぽう重水素じゅうすいそ原子核げんしかくじゅう陽子ようし)の質量しつりょう測定そくていすると、陽子ようし中性子ちゅうせいしがそれぞれ別々べつべつ存在そんざいするときに観測かんそくされる質量しつりょうよりもやく2.2 MeV/c²だけかるとなる。アインシュタイン特殊とくしゅ相対性理論そうたいせいりろんによれば、質量しつりょうエネルギー等価とうかであり、E=mc²関係かんけい存在そんざいする。質量しつりょう欠損けっそん原子核げんしかく結合けつごうエネルギーが質量しつりょう減少げんしょうというかたち観測かんそくされるものであるとかんがえられており、実際じっさい測定そくてい結果けっか非常ひじょう一致いっちせている。原子核げんしかく結合けつごうエネルギーのおおきさは、質量しつりょう公式こうしきによって説明せつめいされる。

Bethe-Weizsäckerの質量しつりょう公式こうしき

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原子核げんしかく結合けつごうエネルギーをえきしずく模型もけいかんがえかたをもちい、実験じっけんてきもとめた質量しつりょう再現さいげんするようパラメータをもとめるはん実験じっけんしきとして、ベーテ・ヴァイツゼッカーの質量しつりょう公式こうしきがある。

ハイゼンベルクのたに

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たて方向ほうこう陽子ようしすうよこ方向ほうこう中性子ちゅうせいしすうたか方向ほうこうかくあたりの結合けつごうエネルギーの正負せいふ反転はんてんしたものにとってさん次元じげんのグラフにすると、安定あんてい同位どういたい沿ってたにじょう形状けいじょうしめす。これをハイゼンベルクたにんでいる。かく図表ずひょう参照さんしょう

原子核げんしかく安定あんていせい質量しつりょう欠損けっそん

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ある原子核げんしかく安定あんていであるかどうかということをかんがえるさいに、質量しつりょう欠損けっそんもちいて議論ぎろんすることが出来できる。

原子核げんしかく崩壊ほうかいたいする安定あんていせい

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ほんこうでは、れいとしてある原子核げんしかくアルファ崩壊ほうかいたいして安定あんていであるかどうかということを質量しつりょう欠損けっそんもちいてかんがえてみることとする。

アルファ崩壊ほうかいは、原子核げんしかくアルファ粒子りゅうしヘリウム原子核げんしかく)を放出ほうしゅつして、原子げんし番号ばんごうが2、質量しつりょうすうが4だけすくない原子核げんしかく変換へんかんするはんおうである。この反応はんのうこるためには、アルファ粒子りゅうし放出ほうしゅつするだけのエネルギーをどこかからってこなければならない。通常つうじょうこの反応はんのうこるのは、もと原子核げんしかくおやかくなどとばれる)の質量しつりょう欠損けっそんが、崩壊ほうかいしたのち核種かくしゅむすめかくぶ)の質量しつりょう欠損けっそんとヘリウム原子核げんしかく質量しつりょう欠損けっそんしたものよりもちいさい場合ばあいかぎられる。質量しつりょう欠損けっそんによりしょうじる余剰よじょうなエネルギーこそがアルファ崩壊ほうかいこすみなもとなのである。とはいっても、原子核げんしかく崩壊ほうかいこすためには、通常つうじょうかなりたかポテンシャル障壁しょうへきえなければならないので、アルファ崩壊ほうかいたいして不安定ふあんてい核種かくしゅだからといってただちに崩壊ほうかいするということはい。あるかくりつによっておこるトンネル効果こうかでポテンシャル障壁しょうへきをすりけた場合ばあいのみ崩壊ほうかいこるので、一般いっぱんにアルファ崩壊ほうかいこるのにはかなりなが時間じかんがかかり、半減はんげんすうまんねんからおくねん以上いじょうという核種かくしゅすくなくない。

上記じょうき議論ぎろん原子力げんしりょく発電はつでん原子げんしばくだんなどで利用りようされている原子げんし核分裂かくぶんれつ場合ばあい同様どうようかんがえることが出来できる。アルファ崩壊ほうかい場合ばあいには、分裂ぶんれつ片方かたがた原子核げんしかくがヘリウム原子核げんしかく固定こていされていたが、原子げんし核分裂かくぶんれつでは、分裂ぶんれつによってしょうじるかくがそれにかぎらず、またいくつかの自由じゆう中性子ちゅうせいしなども同時どうじしょうじるというてんことなるだけである。また、ベータ崩壊ほうかいやベータプラス崩壊ほうかい軌道きどう電子でんし捕獲ほかくなどのほか原子核げんしかく崩壊ほうかい場合ばあいにも基本きほんてきには同様どうようである。ただし、それらは原子核げんしかくのほかに電子でんしもかかわる反応はんのうであるから、電子でんし質量しつりょうぶんのエネルギーも考慮こうりょれなければならない。

自然しぜんかい存在そんざいする原子核げんしかくは、ほぼ基底きてい状態じょうたい(その核種かくしゅりうるエネルギー状態じょうたいのうちでもっともエネルギーがちいさい=質量しつりょう欠損けっそんおおきく安定あんてい状態じょうたい)で存在そんざいする。ごくまれ放射線ほうしゃせんなどの影響えいきょう励起れいき状態じょうたい基底きてい状態じょうたいよりもエネルギーがおおきい状態じょうたいそとからエネルギーをくわえることによってしょうずる)になることがあってもガンマ崩壊ほうかい原子核げんしかくガンマ線がんません放出ほうしゅつしてよりエネルギーのひく状態じょうたい移行いこうすること。)によって、ただちに基底きてい状態じょうたい移行いこうする。とはいっても励起れいき状態じょうたい通常つうじょうよりも原子核げんしかくつエネルギーがおおきい状態じょうたいであるから、そのぶんだけ質量しつりょう欠損けっそん減少げんしょうした状態じょうたいである。したがって励起れいき状態じょうたいかくが、上記じょうきのアルファ崩壊ほうかいとうこす条件じょうけんたしていると、あるかくりつ原子核げんしかく崩壊ほうかいこり、核種かくしゅ変換へんかんすることがある。

質量しつりょう偏差へんさ

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中性ちゅうせい原子げんしおもさから、その原子げんし質量しつりょうすうAの原子げんし質量しつりょう単位たんいばいいたものを質量しつりょう偏差へんさしつりょうへんさぶ。あるいは、電子でんし質量しつりょうおよび束縛そくばくエネルギーをふくまないかたちとして、原子核げんしかくおもさから原子核げんしかく質量しつりょうすう原子げんし質量しつりょう単位たんいばいいたものをさす場合ばあいもある。また、質量しつりょう偏差へんさ質量しつりょうすうAでったものを質量しつりょう偏差へんさぶ。

質量しつりょう偏差へんさ正負せいふ反転はんてんしたものは、質量しつりょう超過ちょうかしつりょうちょうかばれるりょうである。

文献ぶんけんとうによっては、質量しつりょう偏差へんさ意味いみ質量しつりょう欠損けっそんという言葉ことばもちいていることもある。

脚注きゃくちゅう

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  1. ^ 文部省もんぶしょう日本にっぽん物理ぶつり学会がっかいへん学術がくじゅつ用語ようごしゅう 物理ぶつりがくへん培風館ばいふうかん、1990ねんISBN 4-563-02195-4 

関連かんれん項目こうもく

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