第21章核化学

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

An atomic nucleus consists of protons and neutrons, collectively called nucleons. Although protons repel each other, the nucleus is held tightly together by a short-range, but very strong, force called the strong nuclear force. A nucleus has less mass than the total mass of its constituent nucleons. This “missing” mass is the mass defect, which has been converted into the binding energy that holds the nucleus together according to Einstein’s mass-energy equivalence equation, E = mc². Of the many nuclides that exist, only a small number are stable. Nuclides with even numbers of protons or neutrons, or those with magic numbers of nucleons, are especially likely to be stable. These stable nuclides occupy a narrow band of stability on a graph of number of protons versus number of neutrons. The binding energy per nucleon is largest for the elements with mass numbers near 56; these are the most stable nuclei.

英語のヒント

原子核は陽子と中性子からなり、これらをまとめて核子という。陽子同士は反発するが、短い距離で働く非常に強い核力によって、原子核は強く結びついている。原子核の質量は、構成する核子の質量の合計より小さい。この「失われた」質量が質量欠損であり、アインシュタインの質量とエネルギーの等価式E = mc²に従って、核を結びつける結合エネルギーへ変わっている。多くの核種のうち、安定なものはわずかである。陽子数や中性子数が偶数の核種、または核子数が魔法数の核種は、特に安定になりやすい。安定核種は、陽子数と中性子数のグラフで狭い安定帯を占める。核子1個あたりの結合エネルギーは、質量数が56に近い元素で最も大きく、これらが最も安定な原子核である。

Key Equations重要な式

E = mc²

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 1–10練習問題 1–10

Exercise 1問題 1

Write the following isotopes in hyphenated form (e.g., “carbon-14”)

次の同位体を、ハイフンを使う形で書きなさい。たとえば「carbon-14」のように書く。

(a)

_{11}^{24} Na

(a)

_{11}^{24} Na

(b)

_{13}^{29} Al

(b)

_{13}^{29} Al

(c)

_{36}^{73} Kr

(c)

_{36}^{73} Kr

(d)

_{77}^{194} Ir

(d)

_{77}^{194} Ir

Solution解き方

(a) sodium-24; (b) aluminum-29; (c) krypton-73; (d) iridium-194

(a) sodium-24（ナトリウム24）　(b) aluminum-29（アルミニウム29）　(c) krypton-73（クリプトン73）　(d) iridium-194（イリジウム194）

Exercise 2問題 2

Write the following isotopes in nuclide notation (e.g.,

"_{6}^{14} C ")

次の同位体を、

"_{6}^{14} C ")

のような核種表記で書きなさい。

(a) oxygen-14

(a) 酸素14

(b) copper-70

(b) 銅70

(d) francium-217

(d) フランシウム217

Exercise 3問題 3

For the following isotopes that have missing information, fill in the missing information to complete the notation

次の同位体の表記には、情報が欠けている。空欄を補って表記を完成させなさい。

(a)

_{14}^{34} X

(a)

_{14}^{34} X

(b)

_{X}^{36} P

(b)

_{X}^{36} P

(c)

_{X}^{57} Mn

(c)

_{X}^{57} Mn

(d)

_{56}^{121} X

(d)

_{56}^{121} X

Solution解き方

(a)

_{14}^{34} Si;

(b)

_{15}^{36} P;

(c)

_{25}^{57} Mn;

(d)

_{56}^{121} Ba

(a)

_{14}^{34} Si;

(b)

_{15}^{36} P;

(c)

_{25}^{57} Mn;

(d)

_{56}^{121} Ba

Exercise 4問題 4

For each of the isotopes in Exercise 1, determine the numbers of protons, neutrons, and electrons in a neutral atom of the isotope.

演習1の各同位体について、中性原子中の陽子数、中性子数、電子数を求めなさい。

Exercise 5問題 5

Write the nuclide notation, including charge if applicable, for atoms with the following characteristics:

次の特徴をもつ原子を核種表記で書きなさい。電荷がある場合は、それも含めること。

(a) 25 protons, 20 neutrons, 24 electrons

(a) 陽子25個、中性子20個、電子24個

(b) 45 protons, 24 neutrons, 43 electrons

(b) 陽子45個、中性子24個、電子43個

(d) 97 protons, 146 neutrons, 97 electrons

(d) 陽子97個、中性子146個、電子97個

Solution解き方

(a)

_{25}^{45} {Mn}^{+1};

(b)

_{45}^{69} {Rh}^{+2};

(c)

_{53}^{142} I^{−1};

(d)

_{97}^{243} Bk

(a)

_{25}^{45} {Mn}^{+1};

(b)

_{45}^{69} {Rh}^{+2};

(c)

_{53}^{142} I^{−1};

(d)

_{97}^{243} Bk

Exercise 6問題 6

Calculate the density of the

_{12}^{24} Mg

nucleus in g/mL, assuming that it has the typical nuclear diameter of 1

\times

10^–13 cm and is spherical in shape.

_{12}^{24} Mg

の原子核の密度をg/mLで求めなさい。原子核は球形で、直径は典型的な値である1

\times

10^–13 cmとする。

Exercise 7問題 7

What are the two principal differences between nuclear reactions and ordinary chemical changes?

核反応と通常の化学変化の主な違いを2つ挙げなさい。

Solution解き方

Nuclear reactions usually change one type of nucleus into another; chemical changes rearrange atoms. Nuclear reactions involve much larger energies than chemical reactions and have measureable mass changes.

核反応では通常、ある種類の原子核が別の原子核へ変わるが、化学変化では原子の並びが変わる。核反応は化学反応よりはるかに大きなエネルギーを伴い、測定できるほどの質量変化が起こる。

Exercise 8問題 8

The mass of the atom

_{11}^{23} Na

is 22.9898 amu.

原子

_{11}^{23} Na

の質量は22.9898 amuである。

(a) Calculate its binding energy per atom in millions of electron volts.

(a) 原子1個あたりの結合エネルギーを、百万電子ボルトの単位で求めなさい。

(b) Calculate its binding energy per nucleon.

(b) 核子1個あたりの結合エネルギーを求めなさい。

Exercise 9問題 9

Which of the following nuclei lie within the band of stability shown in Figure 21.2?

次の原子核のうち、図21.2の安定帯の中にあるのはどれか。

(a) chlorine-37

(a) 塩素37

(b) calcium-40

(b) カルシウム40

(d) ⁵⁶Fe

(e) ²⁰⁶Pb

(f) ²¹¹Pb

(g) ²²²Rn

(h) carbon-14

(h) 炭素14

Solution解き方

(a), (b), (c), (d), and (e)

(a)、(b)、(c)、(d)、(e)

Exercise 10問題 10

Which of the following nuclei lie within the band of stability shown in Figure 21.2?

次の原子核のうち、図21.2の安定帯の中にあるのはどれか。

(a) argon-40

(a) アルゴン40

(b) oxygen-16

(b) 酸素16

(d) ⁵⁸Ni

(e) ²⁰⁵Tl

(f) ²¹⁰Tl

(g) ²²⁶Ra

(h) magnesium-24

(h) マグネシウム24

band of stability

安定帯

(also, belt of stability, zone of stability, or valley of stability) region of graph of number of protons versus number of neutrons containing stable (nonradioactive) nuclides

陽子数と中性子数のグラフで、安定な、すなわち放射性でない核種が存在する領域。安定帯、安定領域、安定の谷ともいう。

binding energy per nucleon

核子1個あたりの結合エネルギー

total binding energy for the nucleus divided by the number of nucleons in the nucleus

原子核の全結合エネルギーを、その原子核内の核子数で割った値。

electron volt (eV)

電子ボルト（eV）

measurement unit of nuclear binding energies, with 1 eV equaling the amount energy due to the moving an electron across an electric potential difference of 1 volt

原子核の結合エネルギーを測る単位。1 eVは、電子1個が1 Vの電位差を移動することに対応するエネルギーに等しい。

magic number

魔法数

nuclei with specific numbers of nucleons that are within the band of stability

安定帯の中にある、特定の核子数をもつ原子核。

mass defect

質量欠損

difference between the mass of an atom and the summed mass of its constituent subatomic particles (or the mass “lost” when nucleons are brought together to form a nucleus)

原子の質量と、それを構成する亜原子粒子の質量の合計との差。核子が集まって原子核を作るときに「失われる」質量。

mass-energy equivalence equation

質量とエネルギーの等価性を表す式

Albert Einstein’s relationship showing that mass and energy are equivalent

質量とエネルギーが等価であることを示す、アルベルト・アインシュタインの関係式。

nuclear binding energy

原子核の結合エネルギー

energy lost when an atom’s nucleons are bound together (or the energy needed to break a nucleus into its constituent protons and neutrons)

原子の核子が結びつくときに失われるエネルギー。原子核を構成する陽子と中性子に分解するために必要なエネルギーでもある。

nuclear chemistry

核化学

study of the structure of atomic nuclei and processes that change nuclear structure

原子核の構造と、その構造を変える過程を研究する分野。

nucleon

核子

collective term for protons and neutrons in a nucleus

原子核内の陽子と中性子をまとめて呼ぶ名称。

nuclide

核種

nucleus of a particular isotope

特定の同位体の原子核。

radioactivity

放射能

phenomenon exhibited by an unstable nucleon that spontaneously undergoes change into a nucleon that is more stable; an unstable nucleon is said to be radioactive

不安定な核子が、より安定な核子へ自発的に変化する現象。このような不安定な核子は放射性をもつという。

radioisotope

放射性同位体

isotope that is unstable and undergoes conversion into a different, more stable isotope

不安定で、より安定な別の同位体へ変わる同位体。

strong nuclear force

強い核力

force of attraction between nucleons that holds a nucleus together

核子の間に働き、原子核を結びつけておく引力。