第21章核化学

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Nuclei can undergo reactions that change their number of protons, number of neutrons, or energy state. Many different particles can be involved in nuclear reactions. The most common are protons, neutrons, positrons (which are positively charged electrons), alpha (α) particles (which are high-energy helium nuclei), beta (β) particles (which are high-energy electrons), and gamma (γ) rays (which compose high-energy electromagnetic radiation). As with chemical reactions, nuclear reactions are always balanced. When a nuclear reaction occurs, the total mass (number) and the total charge remain unchanged.

原子核は、陽子数、中性子数、またはエネルギー状態を変える反応を起こす。核反応には多くの粒子などが関わる。代表的なのは、陽子、中性子、正電荷をもつ電子である陽電子、高エネルギーのヘリウム原子核であるα粒子、高エネルギーの電子であるβ粒子、高エネルギーの電磁放射であるγ線である。化学反応と同様に、核反応も常につり合いを保つ。核反応の際、質量数の総和と電荷の総和は変化しない。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 11–18練習問題 11–18

Exercise 11問題 11

Write a brief description or definition of each of the following:

次の各語を、簡潔に説明または定義しなさい。

(a) nucleon

(a) 核子

(b) α particle

(b) α粒子

(d) positron

(d) 陽電子

(e) γ ray

(e) γ線

(f) nuclide

(f) 核種

(g) mass number

(g) 質量数

(h) atomic number

(h) 原子番号

Solution解き方

(a) A nucleon is any particle contained in the nucleus of the atom, so it can refer to protons and neutrons. (b) An α particle is one product of natural radioactivity and is the nucleus of a helium atom. (c) A β particle is a product of natural radioactivity and is a high-speed electron. (d) A positron is a particle with the same mass as an electron but with a positive charge. (e) Gamma rays compose electromagnetic radiation of high energy and short wavelength. (f) Nuclide is a term used when referring to a single type of nucleus. (g) The mass number is the sum of the number of protons and the number of neutrons in an element. (h) The atomic number is the number of protons in the nucleus of an element.

(a) 核子は原子核内に含まれる粒子で、陽子と中性子を指す。(b) α粒子は自然放射能による生成物の1つで、ヘリウム原子の原子核である。(c) β粒子は自然放射能による生成物で、高速の電子である。(d) 陽電子は電子と同じ質量をもち、正電荷をもつ粒子である。(e) γ線は、高エネルギーで波長の短い電磁放射である。(f) 核種は、1種類の原子核を指す語である。(g) 質量数は、元素の陽子数と中性子数の和である。(h) 原子番号は、元素の原子核内の陽子数である。

Exercise 12問題 12

Which of the various particles (α particles, β particles, and so on) that may be produced in a nuclear reaction are actually nuclei?

核反応で生じうるさまざまな粒子（α粒子、β粒子など）のうち、実際に原子核であるものはどれか。

Exercise 13問題 13

Complete each of the following equations by adding the missing species:

欠けている粒子・核種を補い、次の各式を完成させなさい。

(a)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{0}^{1} n

(a)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{0}^{1} n

(b)

_{94}^{239} Pu + ? ⟶_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n

(b)

_{94}^{239} Pu + ? ⟶_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n

(c)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{1}^{1} H

(c)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{1}^{1} H

(d)

_{92}^{235} U ⟶ ? +_{55}^{135} Cs + 4_{0}^{1} n

(d)

_{92}^{235} U ⟶ ? +_{55}^{135} Cs + 4_{0}^{1} n

Solution解き方

(a)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶_{15}^{30} P +_{0}^{1} n;

(b)

_{94}^{239} Pu +_{2}^{4} He ⟶_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n;

(c)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H;

(d)

_{92}^{235} U ⟶_{37}^{96} Rb +_{55}^{135} Cs + 4_{0}^{1} n

(a)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶_{15}^{30} P +_{0}^{1} n;

(b)

_{94}^{239} Pu +_{2}^{4} He ⟶_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n;

(c)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H;

(d)

_{92}^{235} U ⟶_{37}^{96} Rb +_{55}^{135} Cs + 4_{0}^{1} n

Exercise 14問題 14

Complete each of the following equations:

次の各式を完成させなさい。

(a)

_{3}^{7} Li + ? ⟶ 2_{2}^{4} He

(a)

_{3}^{7} Li + ? ⟶ 2_{2}^{4} He

(b)

_{6}^{14} C ⟶_{7}^{14} N + ?

(b)

_{6}^{14} C ⟶_{7}^{14} N + ?

(c)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{0}^{1} n

(c)

_{13}^{27} Al +_{2}^{4} He ⟶ ? +_{0}^{1} n

(d)

_{96}^{250} Cm ⟶ ? +_{38}^{98} Sr + 4_{0}^{1} n

(d)

_{96}^{250} Cm ⟶ ? +_{38}^{98} Sr + 4_{0}^{1} n

Exercise 15問題 15

Write a balanced equation for each of the following nuclear reactions:

次の各核反応について、つり合いの取れた反応式を書きなさい。

(a) the production of ¹⁷O from ¹⁴N by α particle bombardment

(a) α粒子の衝突による、¹⁴Nからの¹⁷Oの生成

(b) the production of ¹⁴C from ¹⁴N by neutron bombardment

(b) 中性子の衝突による、¹⁴Nからの¹⁴Cの生成

(d) the production of ²³⁹U from ²³⁸U by

_{1}^{2} H

bombardment

(d)

_{1}^{2} H

の衝突による、²³⁸Uからの²³⁹Uの生成

Solution解き方

(a)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H;

(b)

_{7}^{14} C +_{0}^{1} n ⟶_{6}^{14} C +_{1}^{1} H;

(c)

_{90}^{232} Th +_{0}^{1} n ⟶_{90}^{233} Th;

(d)

_{92}^{238} U +_{1}^{2} H ⟶_{92}^{239} U +_{1}^{1} H

(a)

_{7}^{14} N +_{2}^{4} He ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H;

(b)

_{7}^{14} C +_{0}^{1} n ⟶_{6}^{14} C +_{1}^{1} H;

(c)

_{90}^{232} Th +_{0}^{1} n ⟶_{90}^{233} Th;

(d)

_{92}^{238} U +_{1}^{2} H ⟶_{92}^{239} U +_{1}^{1} H

Exercise 16問題 16

Technetium-99 is prepared from ⁹⁸Mo. Molybdenum-98 combines with a neutron to give molybdenum-99, an unstable isotope that emits a β particle to yield an excited form of technetium-99, represented as ⁹⁹Tc^*. This excited nucleus relaxes to the ground state, represented as ⁹⁹Tc, by emitting a γ ray. The ground state of ⁹⁹Tc then emits a β particle. Write the equations for each of these nuclear reactions.

テクネチウム99は⁹⁸Moから作る。モリブデン98に中性子が結びつくとモリブデン99となる。これは不安定な同位体で、β粒子を放出し、⁹⁹Tc^*と表す励起状態のテクネチウム99を生じる。この励起核はγ線を放出して、⁹⁹Tcと表す基底状態へ移る。続いて、基底状態の⁹⁹Tcはβ粒子を放出する。これらの核反応それぞれを式で書きなさい。

Exercise 17問題 17

The mass of the atom

_{9}^{19} F

is 18.99840 amu.

原子

_{9}^{19} F

の質量は18.99840 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。

Solution解き方

(a) 148.8 MeV per atom; (b) 7.808 MeV/nucleon

(a) 原子1個あたり148.8 MeV　(b) 核子1個あたり7.808 MeV

Exercise 18問題 18

For the reaction

_{6}^{14} C ⟶_{7}^{14} N + ?,

if 100.0 g of carbon reacts, what volume of nitrogen gas (N₂) is produced at 273K and 1 atm?

反応

_{6}^{14} C ⟶_{7}^{14} N + ?,

で炭素100.0 gが反応すると、273 K、1 atmでどれだけの体積の窒素ガスN₂が生じるか。

alpha particle

α粒子

(α or

_{2}^{4} He

_{2}^{4} α)

high-energy helium nucleus; a helium atom that has lost two electrons and contains two protons and two neutrons

α、

_{2}^{4} He

、または

_{2}^{4} α)

と表す、高エネルギーのヘリウム原子核。ヘリウム原子が電子2個を失ったもので、陽子2個と中性子2個を含む。

antimatter

反物質

particles with the same mass but opposite properties (such as charge) of ordinary particles

通常の粒子と質量が同じで、電荷などの性質が反対の粒子。

beta particle

β粒子

(β

_{−1}^{0} e

_{−1}^{0} β)

high-energy electron

(β

、

_{−1}^{0} e

、または

_{−1}^{0} β)

と表す、高エネルギーの電子。

gamma ray

γ線

(γ or

_{0}^{0} γ)

short wavelength, high-energy electromagnetic radiation that exhibits wave-particle duality

γまたは

_{0}^{0} γ)

と表す、波長が短く高エネルギーの電磁放射。波動と粒子の二重性を示す。

nuclear reaction

核反応

change to a nucleus resulting in changes in the atomic number, mass number, or energy state

原子番号、質量数、またはエネルギー状態が変わる、原子核の変化。

positron

(_{+1}^{0} β

_{+1}^{0} e)

陽電子（

(_{+1}^{0} β

または

_{+1}^{0} e)

）

antiparticle to the electron; it has identical properties to an electron, except for having the opposite (positive) charge

電子の反粒子。反対符号の正電荷をもつこと以外は、電子と同じ性質をもつ。