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  1. 力学  1.1. ダイナミクス  1.1.1. 一次元の運動  1.1.2. 二次元および三次元の運動  1.1.3. 変位と距離  1.1.4. スピードと速度  1.1.5. 加速と減速  1.1.6. 運動のグラフ分析  1.1.7. 運動の方程式（高度な導出）  1.1.8. 自由落下と終端速度  1.1.9. 投射運動  1.1.10. 1次元および2次元での相対速度  1.1.11. 傾斜面上の車の運動  1.2. 力学  1.2.1. ニュートンの運動の法則とその応用  1.2.2. 慣性とニュートンの第一法則  1.2.3. 力と力の種類  1.2.4. 静摩擦と動摩擦  1.2.5. 円運動と向心加速度  1.2.6. 非一様な円運動  1.2.7. 道路と曲線のバンキング  1.2.8. 運動量とインパルス  1.2.9. 1次元および2次元における運動量の保存  1.2.10. ニュートンの第三法則の応用  1.3. 仕事、エネルギー、力  1.3.1. 一定および変動する力による仕事  1.3.2. 仕事–エネルギーの定理  1.3.3. 運動エネルギーと位置エネルギー  1.3.4. 重力ポテンシャルエネルギーと弾性ポテンシャルエネルギー  1.3.5. 力学的エネルギーの保存  1.3.6. 力と瞬間力  1.3.7. 機械の効率  1.3.8. 保存力と非保存力による仕事  1.4. 回転運動  1.4.1. トルクと角加速度  1.4.2. 回転平衡  1.4.3. 慣性モーメントとその応用  1.4.4. 角運動量とその保存  1.4.5. 転がり運動と回転の運動エネルギー  1.4.6. 平行軸の定理と垂直軸の定理  1.4.7. Dynamics of rotational motion
  2. 重力  2.1. 万有引力  2.1.1. ニュートンの万有引力の法則  2.1.2. 重力場とポテンシャル  2.1.3. 重力による加速度の変化  2.1.4. ケプラーの惑星運動の法則  2.1.5. 軌道力学と人工衛星  2.1.6. 脱出速度と軌道速度  2.1.7. 無重力と自由落下  2.1.8. 重力ポテンシャルエネルギーと軌道におけるエネルギー  2.1.9. ブラックホールと重力レンズ効果
  3. 物質の特性  3.1. 流体力学  3.1.1. 液体の密度と圧力  3.1.2. パスカルの理論と応用  3.1.3. アルキメデスの原理と浮力  3.1.4. ベルヌーイの方程式とその応用  3.1.5. 連続の方程式とベンチュリ効果  3.1.6. 表面張力と毛管現象  3.1.7. 粘度とポアズイユの法則  3.1.8. レイノルズ数と乱流  3.2. 弾性と変形  3.2.1. フックの法則と応力-ひずみの関係  3.2.2. 弾性率とその応用  3.2.3. 固体の変形と降伏強度
  4. 熱物理学  4.1. 熱と温度  4.1.1. 温度特性と温度スケール  4.1.2. 固体、液体、気体の熱膨張  4.1.3. 熱伝達システム  4.1.4. 比熱容量と熱量計測  4.1.5. 潜熱と相変化  4.2. 気体の動力学理論  4.2.1. 気体の分子モデル  4.2.2. 温度の運動論的説明  4.2.3. 理想気体の方程式と偏差  4.2.4. 平均自由行程とマクスウェル・ボルツマン分布  4.3. 熱力学の法則  4.3.1. ゼロ次法則と熱平衡  4.3.2. 第一法則と内部エネルギー  4.3.3. 第2法則とエントロピー  4.3.4. カルノーサイクルと熱機関  4.3.5. 冷蔵庫とヒートポンプ
  5. 波と振動  5.1. 単振動  5.1.1. SHMの方程式  5.1.2. SHMにおけるエネルギー  5.1.3. 減衰振動と強制振動  5.1.4. 共鳴と応用  5.1.5. 振り子とバネ‐質量系  5.2. 波動  5.2.1. 機械波の種類  5.2.2. 波の運動とエネルギー輸送  5.2.3. 重ね合わせの原理と定常波  5.2.4. 反射、屈折、回折  5.2.5. 音と光におけるドップラー効果  5.2.6. 脈動と干渉
  6. 電気と磁気  6.1. 静電気学  6.1.1. 電荷と保存  6.1.2. クーロンの法則とその応用  6.1.3. 電場と電流  6.1.4. 電位と位置エネルギー  6.1.5. コンデンサのキャパシタンスと蓄積されるエネルギー  6.2. 電流  6.2.1. オームの法則と電気抵抗  6.2.2. 抵抗率と温度依存性  6.2.3. キルヒホッフの法則と回路解析  6.2.4. 電力と効率  6.2.5. 抵抗の組み合わせ  6.3. 磁気と電磁気  6.3.1. 磁場とその源  6.3.2. 運動する電荷への磁力  6.3.3. 電磁誘導  6.3.4. ファラデーの法則とレンツの法則  6.3.5. インダクタンスと変圧器  6.3.6. 交流電流とその応用
  7. 光学  7.1. 反射と屈折  7.1.1. 反射と屈折の法則  7.1.2. 鏡とレンズ  7.1.3. 全反射と光ファイバー  7.2. 波動光学  7.2.1. 干渉と回折  7.2.2. ヤングの二重スリット実験  7.2.3. 光の偏光
  8. 現代物理学  8.1.1. 光電効果とアインシュタインの理論  8.1.2. Wave–particle duality  8.1.3. ハイゼンベルクの不確定性原理  8.1.4. コンプトン効果  8.2. 原子物理学と核物理学  8.2.1. 原子モデルとエネルギー準位  8.2.2. 放射性崩壊と半減期  8.2.3. 核分裂と核融合
  9. エレクトロニクスと通信  9.1. 半導体  9.1.1. pn接合とダイオード  9.1.2. トランジスタと論理ゲート  9.1.3. 集積回路とその応用  9.2. 通信システム  9.2.1. アナログおよびデジタル通信の基礎  9.2.2. ワイヤレスおよび光通信  9.2.3. 変調と復調

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核分裂と核融合


核物理学は、原子核とその相互作用を研究する物理学の一分野です。この文脈で、重要なプロセスとして核分裂と核融合があります。両方のプロセスは原子核を変化させ、エネルギーの放出または吸収を伴います。これらのプロセスを理解することは、今日の様々な産業で使用されている核技術の基礎を形成します。

核分裂とは何ですか？

核分裂は、原子核が2つ以上の小さな核に分裂する反応の一種であり、同時にかなりの量のエネルギーを放出します。このプロセスは通常、ウランやプルトニウムのような重元素で発生し、これらは大きな核を持っています。分裂プロセスは中性子を放出し、これがさらなる分裂反応を引き起こし、連鎖反応を引き起こす可能性があります。核分裂で一般的に使用される材料はウラン-235です。

核分裂はどのようにして起こりますか？

ウラン-235の例を使って核分裂がどのように起こるか見てみましょう：

n + 235 U → 236 U → 141 Ba + 92 Kr + 3n + エネルギー

この方程式では、中性子 (n) がウラン-235 (235 U) 核と衝突します。ウランは中性子を吸収し、ウラン-236 (236 U) という不安定な同位体になります。この不安定な核は、バリウム-141 (141 Ba) とクリプトン-92 (92 Kr) という2つの軽い核に分裂し、追加の自由中性子と大量のエネルギーを放出します。

連鎖反応

分裂プロセスで放出される中性子は、他のウラン-235核と衝突することができます。これによりさらに中性子が放出され、反応が継続的に進行します。このプロセスは連鎖反応と呼ばれます。原子炉では、この連鎖反応が制御されて電力が生産され、核兵器ではすべてが一斉に発生することで爆発が起きます。

核分裂の視覚例

U-235NB. ASl中性子

核融合とは何ですか？

核融合は、2つの軽い原子核が結合してより重い核を形成し、その過程でエネルギーを放出するプロセスです。この反応は太陽や他の星を動かしています。核融合は、核分裂よりも多くのエネルギーを生産し、放射性廃棄物をほとんど生じないため、究極のクリーンエネルギー源と見なされています。核融合は通常、重水素や三重水素のような水素の同位体を伴います。

核融合はどのようにして起こりますか？

核融合は、核を近づけて核力を超えるために、非常に高温と高圧を必要とします。一般的な核融合反応は、重水素と三重水素の結合です：

2H + 3H → 4 He + n + エネルギー

この反応では、重水素 (2 H) と三重水素 (3 H) が結合してヘリウム-4 (4 He)、自由中性子 (n)、そして大量のエネルギーを生み出します。核融合で放出されるエネルギーは、生成物と反応物との間の結合エネルギーの差によります。

核融合の視覚例

DTeaHeN

地球での核融合達成の課題

地球で核融合を達成するには、非常に高温と高圧が必要とされ、これらの条件を維持することには大きな課題があります。これらの条件は、正の電荷を持つ核が互いに遠ざかる電荷力を克服するために必要です。トカマクや慣性閉じ込めシステムといった核融合炉が、これらの条件を永続的に維持するために開発されています。

核分裂と核融合の比較

核分裂と核融合はどちらも膨大なエネルギーを放出する強力な反応です。しかし、それらには重要な違いがあります：

1. 反応の種類:
   - 分裂: 大きな核を小さな核に分割する。
   - 融合: 小さな核を結合して大きな核を形成する。

2. エネルギー要求:
   - 分裂: 臨界質量が必要で、中性子で開始できる。
   - 融合: 非常に高温と高圧が必要。

3. エネルギー生産:
   - 分裂: エネルギーを生産するが、融合ほどではない。
   - 融合: 分裂よりも多くのエネルギーを生産する。

4. 副産物:
   - 分裂: 放射性廃棄物を生じる.
   - 融合: 比較的無害なヘリウムを生成.

5. 現在の利用:
   - 分裂: 原子炉と原子爆弾で使用されている。
   - 融合: 実用的なエネルギー生産の研究が進行中。

核分裂の応用

核分裂は現在、原子力発電所で電力を生産するために使用されています。また、潜水艦や軍艦に頻繁な燃料補給なしで大量のエネルギーを提供するために使用されています。もう一つの応用は、破壊力のある核兵器にあります。

核融合の可能性

核融合は、ほぼ無限のクリーンエネルギー源を提供する可能性を秘めています。分裂とは異なり、核融合反応は少量の放射性廃棄物しか生じず、水素同位体などの豊富な燃料を伴います。科学者が持続可能な形で核融合を利用することに成功すれば、電力生産の方法を一変させる可能性があります。

授業例 - 核融合発電所の概念

核融合発電所は、高温で水素の同位体の「プラズマ」を維持することによって稼働します。磁場閉じ込めやレーザーを使った慣性閉じ込め技術が検討されています。しかし、持続反応の条件を維持することは複雑です。

結論

核分裂と核融合は現代の核物理学の基礎であり、現在は核分裂が実用的な応用を支配しています。核融合は、そのクリーンな代替エネルギーとしての潜在力のため、集中的な研究の領域に残り続けています。これらのプロセスを理解することは、核エネルギーをより安全で効率的に利用する能力を高めます。


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