原子物理学と核物理学

はじめに

この記事では、原子と核の物理学を探求することによって物質の核心に迫ります。これらの現代物理学の分野は、物質の最小の構成要素を扱い、大きな技術的進歩と宇宙に関する深い洞察を得ることができます。原子物理学と核物理学は、原子とその核の構造、特性、挙動、および相互作用を研究します。

原子を理解する

原子は私たちの周りのすべての基本的な構成要素です。原子は、陽子と中性子から成る核と、電子で囲まれています。原子を理解することは、物質を理解するための鍵です。

原子構造

原子は主に3つの種類の粒子で構成されています:

陽子: 核内にある正に帯電した粒子。各元素には固有の陽子数があります。
中性子: これも中性の粒子で、核内にあります。陽子とともに、原子の質量の大部分を占めます。
電子: 特定のエネルギーレベルで核を回る負に帯電した粒子で、しばしば電子殻と呼ばれます。

水素原子:
陽子の数 = 1
中性子の数 = 0
電子の数 = 1

原子の視覚化

^- P ⁺

この図は、1つの陽子を含む核（灰色の円）と、1つの電子を含む軌道（赤い円）から成るシンプルな原子を示しています。

原子モデル

過去には、原子の構造を説明するために様々なモデルが提案されてきました。いくつかの重要な原子モデルを見てみましょう:

トムソンのモデル

J.J. トムソンは「プラムプディングモデル」を提案し、電子はプラムのように正に帯電した「プディング」に散らばっているとしました。これは、電子が埋め込まれた正に帯電した物質の均一な球として原子を示唆しました。

ラザフォードのモデル

アーネスト・ラザフォードはアルファ粒子で金箔を爆撃することによって核を発見しました。これにより、密集した核が電子の軌道によって囲まれており、惑星が太陽を回るように電子が核を回っているというモデルが生まれました。

ボーアのモデル

このモデルはニールス・ボーアによって開発され、定量化された電子殻を導入し、電子が角運動量を保存しながら固定された軌道を核を回ることを示しました。このモデルは水素の安定性と放出スペクトルを説明するのに役立ちました。

電子軌道に関するボーアの公式

r_n = frac{n^2 cdot h^2}{4 cdot pi^2 cdot k cdot m_e cdot Z cdot e^2}

ここで:

r_n はn番目の軌道の半径
h はプランク定数
m_e は電子の質量
Z は原子番号
e は基本電荷

量子力学モデル

現代の原子モデルは、電子が見つかる可能性のあるエネルギー領域である原子軌道を記述するのに量子力学を使用します。以前のモデルとは異なり、量子力学は電子の位置を正確に記述するのではなく、電子の位置の確率分布を記述します。

核物理学

次に、原子の中心である核に注目します。核物理学は、原子核の力、反応、要素を研究します。

核の構成要素

陽子: 正電荷を持ち、元素の原子番号を定義します。
中性子: 中性で、核を結びつけてより安定させる役割を果たします。

結合エネルギー

核物理学では、結合エネルギーは核をその構成要素である陽子と中性子に分割するのに必要なエネルギーです。結合エネルギーが高いほど、核は安定です。

E_b = [Z m_p + (AZ) m_n - M] c^2

ここで:

E_b は結合エネルギー
Z は陽子の数
A は質量数
m_p は陽子の質量
m_n は中性子の質量
M は原子質量
c は光速

核力

核力（または強い力）は核を結合する陽子と中性子の間の力です。強い核力は、電磁力の反発力にもかかわらず、陽子と中性子を核に結びつけます。

放射線

放射線は、不安定な原子核が放射線の形でエネルギーを放出する過程です。多くの元素で自然発生し、人工的に誘発することもできます。

放射性崩壊の種類

アルファ崩壊 (α): アルファ粒子（2つの陽子と2つの中性子）の放出により、原子番号が2減少し、質量数が4減少します。
ベータ崩壊 (β): ベータ粒子（電子または陽電子）の放出により、中性子が陽子に変換されるか、その逆になる。
ガンマ崩壊 (γ): 高エネルギーの光子の放出で、他の種類の崩壊後に追加のエネルギーを放出することが多い。

半減期

放射性同位体の半減期とは、サンプルの半分が崩壊するのにかかる時間のことです。それは同位体の安定性を示す尺度です。

N(t) = N_0 cdot left( frac{1}{2} right)^{frac{t}{t_{1/2}}}

ここで:

N(t) は時間 t で崩壊していない核の数
N_0 は初期の核の数
t_{1/2} は半減期

核分裂と核融合

核分裂と核融合は、原子構造を変更してエネルギーを放出する反応です。これらの反応は、原子炉から星まで多くの用途に動力を供給します。

核分裂

核分裂は、重い核が2つまたはそれ以上の小さな核に分裂する過程です。このプロセスは、多くの場合、自由中性子や光子を生成します。核分裂は大量のエネルギーを放出します。

ウラン-235の核分裂の例:

^{235}U + n rightarrow ^{141}Ba + ^{92}Kr + 3n + text{エネルギー}

核融合

核融合は、2つの軽い核が結合して重い核を形成する過程です。核融合は星にエネルギーを供給し、核分裂よりも多くのエネルギーを生成しますが、極端な温度と圧力が必要です。

重水素融合の例:

^{2}H + ^{3}H rightarrow ^{4}He + n + text{エネルギー}