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核分裂と核融合

ウラン 235 の核分裂や軽い原子核の核融合について、正しい記述を選べる。対象は、反応後に質量の和が減って、その分のエネルギーが放出されること、反応後のほうが核子 1 個あたりの結合エネルギーが大きいこと、連鎖反応

前提

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算数中学高校大学大学院

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説明

原子核が分かれる「核分裂」と、原子核どうしが合体する「核融合」で、なぜ大きなエネルギーが出るのかを判断できるようになります。ウラン235の核分裂（原子力発電）や、水素などの軽い原子核の核融合（太陽が光るしくみ）について、記述の正誤を見分ける場面で使います。判断の決め手は「質量の和が減るか」「核子1個あたりの結合エネルギーが大きくなるか」「中性子が次の反応を起こすか（連鎖反応）」の3点です。

なぜそうしてよいのか

原子核の反応では、陽子と中性子をあわせた核子の数（質量数の和）と電気量（原子番号の和）は反応の前後で変わりません。たとえばウラン235の核分裂の一例 では、質量数は 、原子番号は で、どちらもそろっています。しかし質量の和は保存されません。前提の技能で学んだように、原子核の質量は「ばらばらの核子の質量の和」より結合エネルギー に相当する質量 だけ小さくなっています。核子の数が前後で同じなので、ばらばらにしたときの質量の和は前後で等しく、結合エネルギーの合計が大きくなった側ほど質量の和は小さくなります。

核子1個あたりの結合エネルギーは鉄の付近で最大で、ウランのような重い原子核や、水素のような軽い原子核では小さくなっています。重い原子核が中くらいの原子核2つに分かれる（核分裂）と、核子1個あたりの結合エネルギーが大きくなります（ウランは約7.6 MeV、分裂片は約8.5 MeV）。軽い原子核どうしが合わさってヘリウムなどになる（核融合）ときも、核子1個あたりの結合エネルギーが大きくなります。どちらも反応後のほうが結合エネルギーの合計が大きいので、反応後の質量の和は減り、減った質量 に対応するエネルギー が放出されます。

ウラン235の核分裂では、中性子を1個吸収すると分裂し、新たに中性子が2〜3個飛び出します。この中性子が別のウラン235に吸収されると、また核分裂が起こり……と反応が次々に続きます。これが連鎖反応です。中性子は電荷をもたず、原子核の正電荷から反発されないので原子核に入り込めます。一方、核融合では正電荷をもつ原子核どうしを近づける必要があり、クーロン力による反発に打ち勝つため、非常に高い温度（太陽の中心のような高温・高密度）が必要です。

手順

  1. 反応が核分裂（重い原子核が分かれる）か核融合（軽い原子核が合わさる）かを確認する

  2. 反応の前後で保存されるもの（質量数の和・原子番号の和）と、保存されないもの（質量の和）を区別する

  3. 質量の和は反応後のほうが小さく、その差 が のエネルギーとして放出されることを確かめる

  4. 核子1個あたりの結合エネルギーは、核分裂・核融合のどちらでも反応後のほうが大きい（鉄の付近に近づく）ことを確かめる

  5. 核分裂の記述なら、放出された中性子が次のウラン235に吸収されて反応が続く（連鎖反応）かどうかを確かめる

  6. 各選択肢を上の事実と照らし合わせ、正しいものを選ぶ

例題

原子核の反応について述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜エのうちから1つ選べ。
ア　ウラン235の核分裂では、反応後の原子核と中性子の質量の和は、反応前の質量の和より大きい。
イ　軽い原子核どうしの核融合では、反応後の原子核の核子1個あたりの結合エネルギーは、反応前より小さい。
ウ　ウラン235の核分裂で放出された中性子が別のウラン235に吸収され、次々に核分裂が起こる現象を連鎖反応という。
エ　核分裂では、反応の前後で質量数の和は変化するが、質量の和は変化しない。

例題の解答

手順1: ア・ウ・エは核分裂、イは核融合についての記述である。
手順2: 核反応では質量数の和と原子番号の和は保存されるが、質量の和は保存されない。エは保存されるものとされないものが逆なので誤り。
手順3: 核分裂ではエネルギーが放出されるので、反応後の質量の和は反応前より小さい。アは「大きい」としているので誤り。
手順4: 核融合では、反応後のほうが核子1個あたりの結合エネルギーが大きくなり、その分エネルギーが放出される。イは「小さい」としているので誤り。
手順5: 核分裂で出た2〜3個の中性子が次のウラン235に吸収されて反応が続く現象が連鎖反応である。ウは正しい。
手順6: 以上より、正しいものはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること