最終更新日: 2023 年 12 月 13 日

核の不安定性の壁

画像の説明: 放射性崩壊の種類別の同位体安定性の谷。
- 黒: 安定した原子核。放射性崩壊を受けず、放射線を放出しません。
- オレンジ、青、黄色: β 放射能または α 放射能によって崩壊して谷に下る不安定な核。
- 赤と紫: 陽子または中性子が多すぎる不安定な原子核は、陽子または中性子のいずれかを放出して谷に下降します。
- 薄緑色: 陽子と中性子が多すぎる不安定な原子核は、谷に下降するために分裂する必要があります。
Z<20 の場合、すべての安定核が二等分線 N=Z 上に位置していることがわかります。
Z>20 の場合、すべての安定核は安定谷の線 N=Z より上に位置します。原子核は成長するにつれて、陽子に比べてより多くの中性子を統合しなければなりません。
Z>83 の場合、およそ Z=126 と推定される陽子数の観察可能な限界にもかかわらず、これ以上安定した原子核は存在しません。
不安定な核は放射性崩壊のカスケードを経て、最終的には谷の底を流れる安定した物質の川に流れ込みます。

核不安定障壁とは何ですか?

星は核融合の中心であり、化学元素が最も軽いものから最も重いものまで作られます。より軽い元素は核融合によって結合され、より重い元素を形成します。この反応中に放出されるエネルギーは、星の核の温度と圧力を維持するために使用されます。
核融合中に放出されるエネルギーの量は、融合する原子核の質量によって異なります。しかし、原子核が重ければ重いほど、放出されるエネルギーは少なくなります。
鉄による核不安定性の障壁がある。
鉄は最も安定した原子核を持つ化学元素です。 2つの鉄原子核の融合はエネルギーを放出せず、逆にエネルギーを吸収します。核融合が鉄で止まるのはこのためです。つまり、鉄よりも軽い元素の融合とは異なり、鉄を超えて重い元素を形成するには、エネルギーを放出するのではなく、エネルギーの入力が必要になります。

これは、原子核の安定性の谷とそれに伴う核過程によって説明されます。
星の核内で軽い元素が融合すると、結果として生じる核の質量が元の核の質量の合計よりわずかに小さいため、エネルギーが放出されます。鉄より軽い原子核は、より安定した配置に達するために融合する際にエネルギーを放出できます。
Z=20 以降、原子核は成長するにつれて、陽子と比較してより多くの中性子を統合する必要があります。したがって、鉄 (原子番号 Z=26) を超えると、核融合ではエネルギーを放出するのではなく、エネルギーを吸収する必要があります。つまり、鉄より重い原子核の場合、核融合により原子核の安定性が低下し、エネルギーの放出ではなくエネルギーの入力が必要になります。
ここに核不安定障壁がある。

鉄より重い元素はどのようにして作られるのでしょうか?

老化した星の中心の外側、外層では、鉄より重い元素の形成に関与するプロセスが発生します。
s プロセスとも呼ばれる低速中性子捕捉は、鉄より重い元素の形成に寄与する 2 つの主要な中性子捕捉プロセスのうちの 1 つです。
赤色巨星段階では、星は核反応を起こし、エネルギーを放出します。星の外層に存在する軽い原子核はゆっくりと中性子を捕らえ、不安定な原子核を形成します。中性子捕獲によって形成された原子核の一部はベータ崩壊を起こし、中性子が陽子に変換され、それによって原子核の原子番号が増加します。
このプロセスは数回繰り返され、徐々に重い元素が形成されます。これらの元素は周期表上の鉄を超えています。
星がその外層を惑星状星雲として放出するときに、s プロセスによって形成された元素は宇宙に放出されます。

s プロセスは中性子の捕捉が遅いという特徴があり、その名前が付けられています。銀、バリウム、鉛などの多くの安定した重元素の生成に関与します。

もう 1 つのプロセスは、r プロセスと呼ばれる急速中性子捕捉プロセスです。それは超新星爆発中、または 2 つの中性子星の合体中に発生します。このプロセスでは大量の中性子が放出されます。中性子を急速に捕らえることにより、原子核は不安定になります。一定数の不安定な原子核はベータ崩壊を起こし、中性子が陽子に変化し、電子と反ニュートリノを放出します。これにより原子番号が増加し、元素がより重い元素に変わります。
rプロセスは、宇宙における金、プラチナ、ウランなどの元素の生成に関与しています。

核の不安定性の壁

核不安定障壁とは何ですか?

鉄より重い元素はどのようにして作られるのでしょうか?

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