2021/02/07

質量欠損によってエネルギーが発生する理由について(2)

ところで、Android版のCOCOAと同じような事にならないために、質量欠損によってエネルギーが発生する理由についての内容のテストを兼ねて、核融合(Wikipedia)でエネルギーが発生する理由を説明したいと思います。

核融合発電で利用しようとしている核融合はD-T反応(Wikipedia)ですが、D-T反応では、反応前の2Hと3Hの合計質量から反応後の4Heとnの合計質量を差し引いた値の質量欠損が発生し、質量欠損と同等のエネルギーが発生します。

nが放出されるのは、2Hと3Hがクーロン斥力よりも核力による引力が優勢になる距離以下に接近して衝突した後に2p+3nの結合状態(5He?)が瞬間的に生成されるけれど、真空のエネルギーに限界があるため、真空のエネルギーによって生成される仮想中間子の交換力=核力に限界があり、2p+3nの結合状態(5He?)を維持出来なくなり、瞬時に4Heとnに崩壊して高エネルギーの4Heと中性子に分裂するのではないでしょうか。*1

この反応で質量欠損が起きるのは、4Heの結合エネルギーの絶対値が2Hと3Hの結合エネルギーの絶対値の和よりも大きいからです。

結合エネルギーが大きいと重くなるのではないかと思われるかもしれないですが、結合エネルギーの値はマイナスなので、質量とエネルギーの等価関係に基づいて軽くなります。

古典論的な円軌道や原子核に束縛された電子の軌道を考えると、回転半径が小さい方が引力が強いけれども、運動エネルギーは少さい事を考えれば、この事は納得出来るのではないでしょうか。

このように考えると、原子核は大雑把に言えば、核力を起源にしたエネルギーによって何らかの軌道運動を行っている核子が核力で繋ぎとめられていると考えられます。

そして、原子核が全体的に核力が強くなって結合エネルギーの絶対値が大きくなると核子が動けなくなって核子の運動エネルギーが小さくなり、逆に原子核が全体的に核力が弱くなって結合エネルギーの絶対値が小さくなると核子が動けるようになって核子の運動エネルギーが大きくなると考えられます。

また、核力のポテンシャルの形は湯川ポテンシャル(Wikipedia)で近距離力なので、核子間の距離が一定程度離れると、核力を担う仮想中間子が消滅して核子間の結合が解けて3Hと2Hが持っていた核子の運動エネルギーの一部と3Hと2Hの内の中性子の間に蓄えられていた同じく核力を起源としたアイソスピンによる縮退圧のポテンシャルエネルギーの一部が解放されると考えれば良いのではないでしょうか。

*1 この場合に解放される4Heと中性子のエネルギーの値はD-T反応(Wikipedia)を見てください。