第16章太陽――核エネルギーの源The Sun: A Nuclear Powerhouse

The fundamental components of atoms are the proton, neutron, and electron (see The Structure of the Atom).

原子の基本的な構成要素は、陽子、中性子、電子である（「原子の構造」参照）。

Protons, neutrons, and electrons are by no means all the particles that exist. First, for each kind of particle, there is a corresponding but opposite antiparticle. If the particle carries a charge, its antiparticle has the opposite charge. The antielectron is the positron, which has the same mass as the electron but is positively charged. Similarly, the antiproton has a negative charge. The remarkable thing about such antimatter is that when a particle comes into contact with its antiparticle, the original particles are annihilated, and substantial amounts of energy in the form of photons are produced.

陽子、中性子、電子だけが、存在する粒子のすべてというわけでは決してない。まず、どの種類の粒子にも、対応する反対の性質の反粒子がある。粒子が電荷をもつなら、その反粒子は反対の電荷をもつ。電子の反粒子は陽電子で、電子と同じ質量をもちながら、正に帯電している。同様に、反陽子は負の電荷をもつ。このような反物質の驚くべき点は、粒子がその反粒子に触れると、元の粒子が対消滅し、光子の形で多量のエネルギーが生み出されることである。

Since our world is made exclusively of ordinary particles of matter, antimatter cannot survive for very long. But individual antiparticles are found in cosmic rays (particles that arrive at the top of Earth’s atmosphere from space) and can be created in particle accelerators. And, as we will see in a moment, antimatter is created in the core of the Sun and other stars.

私たちの世界は通常の物質の粒子だけでできているため、反物質は長くは存在し続けられない。しかし個々の反粒子は、宇宙から地球の大気の最上部へ到来する粒子である宇宙線の中に見つかり、粒子加速器でも作り出せる。そして、まもなく見るように、反物質は太陽やほかの恒星の中心核でも生み出される。

Science fiction fans may be familiar with antimatter from the Star Trek television series and films. The Starship Enterprise is propelled by the careful combining of matter and antimatter in the ship’s engine room. According to E = mc², the annihilation of matter and antimatter can produce a huge amount of energy, but keeping the antimatter fuel from touching the ship before it is needed must be a big problem. No wonder Scotty, the chief engineer in the original TV show, always looked worried!

SFファンには、テレビシリーズや映画の『スター・トレック』を通じて、反物質になじみがあるかもしれない。宇宙船エンタープライズは、機関室で物質と反物質を慎重に組み合わせることで推進される。E = mc²によると、物質と反物質の対消滅は莫大なエネルギーを生み出せる。しかし、必要になるまで反物質燃料を船体に触れさせずにおくのは、大きな問題に違いない。最初のテレビシリーズで機関主任のスコッティが、いつも心配そうに見えたのも無理はない。

In 1933, physicist Wolfgang Pauli (Figure 16.4) suggested that there might be another type of elementary particle. Energy seemed to disappear when certain types of nuclear reactions took place, violating the law of conservation of energy. Pauli was reluctant to accept the idea that one of the basic laws of physics was wrong, and he suggested a “desperate remedy.” Perhaps a so-far-undetected particle, which was given the name neutrino (“little neutral one”), carried away the “missing” energy. He suggested that neutrinos were particles with zero mass, and that like photons, they moved with the speed of light.

1933年、物理学者ヴォルフガング・パウリ（図16.4）は、別の種類の素粒子があるかもしれないと提案した。ある種の核反応が起こると、エネルギーが消え、エネルギー保存則に反しているように見えたのである。パウリは、物理学の基本法則の一つが間違っているとは認めたくなかったため、「窮余の策」を提案した。ニュートリノ、つまり「小さな中性のもの」と名付けられた、それまで検出されていない粒子が、「失われた」エネルギーを持ち去ったのかもしれない。パウリはニュートリノを、質量がゼロで、光子と同じく光速で動く粒子だと考えた。

The elusive neutrino was not detected until 1956. The reason it was so hard to find is that neutrinos interact very weakly with other matter and therefore are very difficult to detect. Earth is more transparent to a neutrino than the thinnest and cleanest pane of glass is to a photon of light. In fact, most neutrinos can pass completely through a star or planet without being absorbed. As we shall see, this behavior of neutrinos makes them a very important tool for studying the Sun. Since Pauli’s prediction, scientists have learned a lot more about the neutrino. We now know that there are three different types of neutrinos, and in 1998, neutrinos were discovered to have a tiny amount of mass. Indeed, it is so tiny that electrons are at least 500,000 times more massive. Ongoing research is focused on determining the mass of neutrinos more precisely, and it may still turn out that one of the three types is massless. We will return to the subject of neutrinos later in this chapter.

捉えどころのないニュートリノが検出されたのは、1956年になってからだった。見つけるのが難しかった理由は、ニュートリノとほかの物質との相互作用が非常に弱く、検出が極めて難しいためである。ニュートリノにとっての地球は、光の光子にとっての、最も薄く澄んだガラス板よりも透明である。実際、ほとんどのニュートリノは、吸収されずに恒星や惑星を丸ごと通り抜けられる。これから見るように、この性質のおかげで、ニュートリノは太陽を研究する非常に重要な道具になる。パウリの予言以来、科学者はニュートリノについてさらに多くのことを知った。現在では、ニュートリノに3種類あることがわかっている。そして1998年には、ニュートリノがわずかな質量をもつことが発見された。実際、その質量は極めて小さく、電子でも少なくともその50万倍は重い。現在も続く研究では、ニュートリノの質量をさらに精密に決めようとしている。3種類のうち一つは質量がない、とわかる可能性もまだある。この章の後半で、ニュートリノの話に戻る。

Some of the properties of the proton, electron, neutron, and neutrino are summarized in Table 16.1. (Other subatomic particles have been produced by experiments with particle accelerators, but they do not play a role in the generation of solar energy.)

陽子、電子、中性子、ニュートリノの性質の一部を表16.1にまとめる。粒子加速器の実験では、ほかにも原子より小さな粒子が作られているが、それらは太陽エネルギーの生成には役割を果たしていない。

The nucleus of an atom is not just a loose collection of elementary particles. Inside the nucleus, particles are held together by a very powerful force called the strong nuclear force. This is short-range force, only capable of acting over distances about the size of the atomic nucleus. A quick thought experiment shows how important this force is. Take a look at your finger and consider the atoms composing it. Among them is carbon, one of the basic elements of life. Focus your imagination on the nucleus of one of your carbon atoms. It contains six protons, which have a positive charge, and six neutrons, which are neutral. Thus, the nucleus has a net charge of six positives. If only the electrical force were acting, the protons in this and every carbon atom would find each other very repulsive and fly apart.

原子核は、素粒子をただ寄せ集めたものではない。核の中では、強い核力と呼ばれる非常に強力な力が、粒子同士を結び付けている。この力は短距離にしか働かず、作用できるのは原子核の大きさほどの距離だけである。簡単な思考実験で、この力の重要さがわかる。自分の指を見て、それを構成する原子について考えよう。その中には、生命の基本元素の一つである炭素がある。自分の炭素原子の一つ、その原子核に想像を集中させてみよう。原子核には、正の電荷をもつ陽子が6個と、中性の中性子が6個入っている。したがって、核全体の正味の電荷は正の電荷6個分である。もし電気的な力しか働かなければ、この炭素原子でも、ほかのすべての炭素原子でも、陽子は互いを強く反発する相手と感じ、ばらばらに飛び散ってしまうだろう。

The strong nuclear force is an attractive force, stronger than the electrical force, and it keeps the particles of the nucleus tightly bound together. We saw earlier that if under the force of gravity a star “shrinks”—bringing its atoms closer together—gravitational energy is released. In the same way, if particles come together under the strong nuclear force and unite to form an atomic nucleus, some of the nuclear energy is released. The energy given up in such a process is called the binding energy of the nucleus.

強い核力は、電気的な力よりも強い引力で、核を構成する粒子をしっかり結び付けている。以前に見たように、恒星が重力のもとで「縮み」、原子を互いに近づけると、重力エネルギーが解放される。同じように、粒子が強い核力によって集まり、結合して原子核を作ると、核エネルギーの一部が放出される。この過程で放出されるエネルギーを、原子核の結合エネルギーという。

When such binding energy is released, the resulting nucleus has slightly less mass than the sum of the masses of the particles that came together to form it. In other words, the energy comes from the loss of mass. This slight deficit in mass is only a small fraction of the mass of one proton. But because each bit of lost mass can provide a lot of energy (remember, E = mc²), this nuclear energy release can be quite substantial.

この結合エネルギーが放出されると、できた原子核の質量は、それを作るために集まった粒子の質量の合計より、わずかに小さくなる。言い換えると、エネルギーは質量の減少から得られる。このわずかな質量欠損は、陽子1個の質量と比べても小さな割合にすぎない。しかし、失われるわずかな質量から多くのエネルギーが得られるため、この核エネルギーの放出量はかなり大きくなりうる。E = mc²を思い出そう。

Measurements show that the binding energy is greatest for atoms with a mass near that of the iron nucleus (with a combined number of protons and neutrons equal to 56) and less for both the lighter and the heavier nuclei. Iron, therefore, is the most stable element: since it gives up the most energy when it forms, it would require the most energy to break it back down into its component particles.

測定によると、結合エネルギーが最大になるのは、陽子と中性子を合わせた数が56個の鉄原子核に近い質量をもつ原子であり、それより軽い核でも重い核でも小さくなる。したがって鉄は最も安定した元素である。形成される際に最も多くのエネルギーを放出するので、構成粒子へ再び分解するには、最も多くのエネルギーを加える必要があるからだ。

What this means is that, in general, when light atomic nuclei come together to form a heavier one (up to iron), mass is lost and energy is released. This joining together of atomic nuclei is called nuclear fusion.

これは一般に、軽い原子核が集まって、鉄までの範囲で、より重い原子核を作ると、質量が減り、エネルギーが放出されるという意味である。このように原子核同士が結合することを核融合という。

Energy can also be produced by breaking up heavy atomic nuclei into lighter ones (down to iron); this process is called nuclear fission. Nuclear fission was the process we learned to use first—in atomic bombs and in nuclear reactors used to generate electrical power—and it may therefore be more familiar to you. Fission also sometimes occurs spontaneously in some unstable nuclei through the process of natural radioactivity. But fission requires big, complex nuclei, whereas we know that the stars are made up predominantly of small, simple nuclei. So we must look to fusion first to explain the energy of the Sun and the stars (Figure 16.5).

重い原子核を、鉄までの範囲で、より軽い核に分割することによっても、エネルギーを生み出せる。この過程を核分裂という。核分裂は、原子爆弾や発電用原子炉で、人類が先に利用できるようになった過程なので、こちらのほうになじみがあるかもしれない。一部の不安定な原子核では、自然放射能の過程を通じて、核分裂が自発的に起こることもある。しかし核分裂には大きく複雑な原子核が必要なのに対し、恒星は主に小さく単純な原子核からできていることがわかっている。だから、太陽や恒星のエネルギーを説明するには、まず核融合に目を向けなければならない（図16.5）。