第21章核化学
21.1 Nuclear Structure and Stability21.1 原子核の構造と安定性
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to:
この節を終えると、次のことができるようになる。
- Describe nuclear structure in terms of protons, neutrons, and electrons陽子・中性子・電子に基づいて原子核の構造を説明する
- Calculate mass defect and binding energy for nuclei原子核の質量欠損と結合エネルギーを計算する
- Explain trends in the relative stability of nuclei原子核の相対的な安定性の傾向を説明する
Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The chapter on atoms, molecules, and ions introduced the basic idea of nuclear structure, that the nucleus of an atom is composed of protons and, with the exception of neutrons. Recall that the number of protons in the nucleus is called the atomic number (Z) of the element, and the sum of the number of protons and the number of neutrons is the mass number (A). Atoms with the same atomic number but different mass numbers are isotopes of the same element. When referring to a single type of nucleus, we often use the term nuclide and identify it by the notation where X is the symbol for the element, A is the mass number, and Z is the atomic number (for example, Often a nuclide is referenced by the name of the element followed by a hyphen and the mass number. For example, is called “carbon-14.”
英語のヒント
核化学は、原子核の構造変化を伴う反応を研究する分野である。原子・分子・イオンの章で、原子核は陽子と中性子からなるという基本的な構造を学んだ。ただし、は例外である。核内の陽子数を元素の原子番号Zと呼び、陽子数と中性子数の和を質量数Aと呼ぶ。原子番号が同じで質量数が異なる原子は、同じ元素の同位体である。1種類の原子核を指すときには、核種という語をよく使い、という表記で区別する。Xは元素記号、Aは質量数、Zは原子番号である。たとえばのように書く。元素名の後にハイフンと質量数を付けて核種を呼ぶことも多い。たとえばは「炭素14」と呼ぶ。
Protons and neutrons, collectively called nucleons, are packed together tightly in a nucleus. With a radius of about 10−15 meters, a nucleus is quite small compared to the radius of the entire atom, which is about 10−10 meters. Nuclei are extremely dense compared to bulk matter, averaging 1.8 1014 grams per cubic centimeter. For example, water has a density of 1 gram per cubic centimeter, and iridium, one of the densest elements known, has a density of 22.6 g/cm3. If the earth’s density were equal to the average nuclear density, the earth’s radius would be only about 200 meters (earth’s actual radius is approximately 6.4 106 meters, 30,000 times larger). Example 21.1 demonstrates just how great nuclear densities can be in the natural world.
英語のヒント
陽子と中性子をまとめて核子と呼ぶ。核子は、原子核の中に密に詰まっている。原子核の半径は約10−15 mで、原子全体の半径約10−10 mに比べて非常に小さい。原子核の密度は、まとまった量の物質より極めて大きく、平均で1.8 1014 g/cm³である。水は1 g/cm³、最も密度の高い既知の元素の1つであるイリジウムでも22.6 g/cm3である。もし地球の密度が原子核の平均密度と同じなら、地球の半径はわずか約200 mになる。実際の地球の半径は約6.4 106 mで、その3万倍である。例題21.1では、自然界の原子核並みの密度がどれほど大きいかを見る。
Example 21.1例題 21.1
Density of a Neutron Star中性子星の密度
Neutron stars form when the core of a very massive star undergoes gravitational collapse, causing the star’s outer layers to explode in a supernova. Composed almost completely of neutrons, they are the densest-known stars in the universe, with densities comparable to the average density of an atomic nucleus. A neutron star in a faraway galaxy has a mass equal to 2.4 solar masses (1 solar mass = = mass of the sun = 1.99 1030 kg) and a diameter of 26 km.
英語のヒント
非常に大質量の恒星の中心部が重力崩壊を起こし、外層が超新星として爆発すると、中性子星ができる。ほぼ完全に中性子からなる中性子星は、宇宙で知られている最も高密度の恒星で、原子核の平均密度に匹敵する密度をもつ。遠くの銀河にある中性子星の質量は太陽質量の2.4倍、直径は26 kmである。1太陽質量 = = 太陽の質量 = 1.99 1030 kgとする。
(a) What is the density of this neutron star?
(a) この中性子星の密度はいくらか。
(b) How does this neutron star’s density compare to the density of a uranium nucleus, which has a diameter of about 15 fm (1 fm = 10–15 m)?
(b) この中性子星の密度は、直径約15 fmのウラン原子核の密度と比べてどうか。1 fm = 10–15 mとする。
Solution解法
We can treat both the neutron star and the U-235 nucleus as spheres. Then the density for both is given by:
中性子星もU-235の原子核も、球として扱える。それぞれの密度は、次の式で求められる。
(a) The radius of the neutron star is so the density of the neutron star is:
(a) 中性子星の半径はなので、密度は次のとおりである。
(b) The radius of the U-235 nucleus is so the density of the U-235 nucleus is:
(b) U-235の原子核の半径はなので、密度は次のとおりである。
These values are fairly similar (same order of magnitude), but the neutron star is more than twice as dense as the U-235 nucleus.
英語のヒント
両者はかなり近い値で、桁も同じである。ただし、中性子星の密度はU-235原子核の2倍を超える。
Check Your Learning理解度を確かめよう
Find the density of a neutron star with a mass of 1.97 solar masses and a diameter of 13 km, and compare it to the density of a hydrogen nucleus, which has a diameter of 1.75 fm (1 fm = 1 10–15 m).
質量が1.97太陽質量、直径が13 kmの中性子星の密度を求め、直径1.75 fmの水素原子核の密度と比較しなさい。1 fm = 1 10–15 mとする。
To hold positively charged protons together in the very small volume of a nucleus requires very strong attractive forces because the positively charged protons repel one another strongly at such short distances. The force of attraction that holds the nucleus together is the strong nuclear force. (The strong force is one of the four fundamental forces that are known to exist. The others are the electromagnetic force, the gravitational force, and the nuclear weak force.) This force acts between protons, between neutrons, and between protons and neutrons. It is very different from the electrostatic force that holds negatively charged electrons around a positively charged nucleus (the attraction between opposite charges). Over distances less than 10−15 meters and within the nucleus, the strong nuclear force is much stronger than electrostatic repulsions between protons; over larger distances and outside the nucleus, it is essentially nonexistent.
英語のヒント
非常に小さな原子核の中で、正電荷をもつ陽子を結びつけておくには、非常に強い引力が必要である。これほど短い距離では、陽子同士が強く反発するためである。原子核を結びつけておく引力を、強い核力という。強い力は、存在が知られている4つの基本的な力の1つである。ほかの3つは、電磁気力、重力、弱い核力である。強い核力は、陽子間、中性子間、陽子と中性子の間に働く。負電荷の電子を正電荷の原子核の周囲につなぎとめる静電気力、すなわち異符号の電荷間の引力とは大きく異なる。原子核内の10−15 m未満の距離では、強い核力は陽子間の静電反発力よりはるかに強い。それより長い距離や原子核の外では、事実上存在しない。