原子エネルギーは何故大きいのでしょうか？

科学的な理由とともに教えて下さい。

物理は全くの素人なもので、
原子エネルギーとはそもそも何かという事も付け加えて教えて下さると助かります。
よろしくお願いします。

No.2 ベストアンサー 回答者： metzner 回答日時： 2011/11/13 17:33

原子核がプラスの電気を帯びた陽子や、中性子という粒子が集まった小さな塊というのはご存じだと思います。

プラスの電気とプラスの電気は反発しますよね？お互いを近づける程強く反発しますよね？
だから、それらを小さな所に綴じ込めておくには、それを上回る力で押さえこむ力がいりますよね？　それが「強い力」と呼ばれている力です。ただこの力の守備範囲は短距離しか働きませんので、原子核に中性子等の他の粒子を当ててやると小さなところに閉じ込められている本来電気で反発している陽子たちが、「強い力」の守備範囲から出てしまいます。すると「強い力」による押さえこみが効かなくなり、陽子達はプラス電気の反発をかりて勢いよく飛び出します。これが核分裂によるエネルギーです。

例え話をしましょう。強力なバネをめちゃめちゃ縮めて、そのバネを元に戻らないように紐で止めておくとします。

バネを縮める時の反発力　＝　陽子の電気の反発力
縮めたバネ　=　原子核
その縮めたバネを止めている紐の力　＝　強い力
その紐を外から切る事　＝　原子核に中性子等を外から当てる事（勝手に切れることもある＝自発核分裂）
紐が切れてバネが伸びることにより開放さえるエネルギー（バネ仕掛けのびっくり箱を
思い出してください）　＝　原子力エネルギー

このバネを最初に縮めたのは、宇宙創成時や星の誕生時等に元素ができたときです。
その縮めたバネの紐を、人間がちょこちょこ切っている事が原子力エネルギーの利用です。

他のエネルギー源は根本的に化学エネルギーを利用しているものが多いです。
電子はマイナスの電気を持っていて、原子核中の陽子のプラス電気とひきあうことにより原子核の周りの軌道をまわっています。この電子をこの軌道からとったりつけたりしているのが化学反応です。だから化学エネルギーというのはこのような電気の力によるエネルギーです。

先の説明で「強い力」は電気の反発力も押さえこめる強さだといいました。すなわち「強い力」は電気力よりも強い。これが化学エネルギーより原子力エネルギーが強力な根本的な理由です。

No.6 回答者： ar300 回答日時： 2011/11/19 20:58

他の人が書いてるのけど、私なりに簡略して。

重さ（質量）が失われる時に、莫大なエネルギーが発生します。

原発は、それを利用しています。



さらに細かい話が聞きたかったら、レスください。

No.5 回答者： noname#157218 回答日時： 2011/11/13 20:58

　No.4です。

追加です。

　アインシュタインが「核兵器の責任」を問われているのは、その理論のせいというよりは、下に述べた「マンハッタン計画」を当時のアメリカ大統領に進言して、実行に移されたためです。

　1938年にウランの核分裂を発見したのはドイツ人科学者でしたから、アインシュタインがドイツで原子爆弾が開発される可能性を心配したのも、当然といえば当然です。

　人間が核エネルギーを手に入れたところで、「パンドラの箱」を開けてしまったわけで、アインシュタイン１人の責任というわけではないと思います。
　核エネルギーも、人間の欲望も、どうやって理性でコントロールするのか、ということが問われているのだと思います。

No.4 回答者： noname#157218 回答日時： 2011/11/13 20:44

　前の方が詳しく書かれているので、もっとアバウトに歴史的な説明を。

　19世紀ごろまでは、エネルギーといえば、石炭や石油を燃やすことが主でした。これは、石炭や石油などの燃料が、空気中の酸素と結び付く「酸化」によって反応熱を発する、いわゆる「化学反応」によるエネルギーでした。

　これに対し、20世紀になって、「放射線」の研究や、相対性理論や量子力学といった理論物理学の研究の中で、原子核の中にとても大きなエネルギーがあることが分かってきました。No.2の方が書かれている「強い力」＝「核力」ですね。（原子エネルギーは、その意味で核エネルギー、原子核エネルギーなどとも呼ばれます）
　核エネルギーは、化学反応のエネルギーに比べると、けた違いに大きいのです。（ここを「何故？」と言われると、そういう自然界の成り立ち、としか言いようがありませんが。No.3の方の説明も参考にしてください）

　この核力は、そう簡単には外に取り出すことができませんが、第2次大戦直前の1938年に、自然界で一番重いウランに中性子を当てると「核分裂」を起こして膨大なエネルギーを出すことが発見されました。
　これにより、人間が人工的に核エネルギーを取り出すことが可能となり、これがナチスドイツで実用化される前にアメリカで実現しようと始まったのが、「マンハッタン計画」です。ドイツとの終戦（1945年5月）には間に合いませんでしたが、1945年7月16日に初めての核爆発に成功しました。日本との戦争はまだ続いていたため、不幸なことに広島（8月6日）、長崎（8月9日）に原爆が使用されました。

　ちょっとわき道にそれましたが、ウランやプルトニウム（自然には存在せず、ウランに中性子を吸収させて作る）の「核分裂」という形で、人間は核力を利用できるようになったわけです。
　瞬時に爆発的にエネルギーを得る「原爆」と、じっくりじわじわと得る「原子力発電」という形で。原子力発電は、核分裂のエネルギー（ウラン燃料内の核分裂生成物の運動エネルギー）で水を加熱し、その蒸気でタービンを回して発電します。石油や石炭を燃やして水を加熱する火力発電と、蒸気以降の発電の仕方は同じです。

　No.3の方が書かれているとおり、核分裂以外に「核融合」という核エネルギーの取り出し方法があるのですが、これは「水素爆弾」という形で実現されているだけで、安定的に発電させるような利用は実現できていません。太陽は核融合で輝いていますので、地上で核融合が安定して実現できれば、エネルギー問題は解消されるのですが・・・。（水素爆弾では、核融合の起爆剤として、核分裂による原子爆弾を用いています・・・）

No.3 回答者： cozycube1 回答日時： 2011/11/13 18:39

　回答No.2 metzner様のご説明の通りなんですけど、質問者様が「物理は全くの素人」と仰るので、あえて真に受けて差し出口などを少々だけ。

　原子エネルギーは、別名で一番有名なのが「原子力」、それから核エネルギーとも言います。

　一番有名な原子力で言い方を統一するとしまして、どうして原子力が強いエネルギーを出せるのかというと、それは質量をエネルギーに転換する働きが一番強いからです。

　実は、ダイナマイトでもガソリンでも、出したエネルギー分だけ質量は減っています。ただ、こうした化学エネルギーは原子力と比べて、元手にした物質からすると、あまりに小さなエネルギーしか出さないので、誰も気が付きませんでした。

　キューリー夫人がX線でノーベル賞を受賞したことは有名ですが、非常に質量が大きい物質（ウランなどですね）は、放射線を出していることは知られていました。
　これが、重い原子核が壊れて別の原子核になる現象、つまり核分裂だと分かったわけです。それに際しては、質量が減ることも分かってきました。

　ここで、アインシュタインが特殊相対性理論を発表し、今ではよく知られている公式「E = mc^2」（^2は2乗という意味。この^はエクセルでも何乗という式に使えますよ）が出てきました。Eがエネルギー、mが物体の質量、cが光速度です。質量がエネルギーに変わるということが、理論的に裏付けされたわけです。

　現在、原子力といえば、この核分裂を指すことが多く、ウランやプルトニウムからは1～2％程度の質量がエネルギーに変わります。少ないようですが、化学エネルギーに比べると、途方もない大きなエネルギーです。ですので、少ない燃料から大きなエネルギーが取り出せます。これが今、問題となっている原子力発電の燃料源ですね。

　さらに、水素等の軽い元素の複数の原子を高温で圧縮して「融合」させても、エネルギーが発生します。発生するエネルギーは、元の物質の質量の2～3％ほどです。これが核融合で、これも原子力と呼ぶことがあります。太陽は、それであのようにエネルギーを出し続けています。何十億年も前から今の太陽と同じですし、今後何十億年も同じように核融合し続けます。こちらは、平和利用としては実用化できていません。

　どちらも、そんなに大きく質量をエネルギーに変えられるかと言うと、そこは回答No.2 metzner様のご説明の通りです。

　核分裂と核融合、どちらも悪用、といって悪ければ軍事利用ですが、そうすれば恐るべき核兵器になることはご承知の通りです。軍事利用では、残念なことに核融合まで実用化されてしまっています。

　アインシュタインに対して、核兵器は彼の公式のせいだ、と非難した人がいたようで、彼は「私の式は核兵器と関係はない」と述べたそうです。確かに、物事の真実を理論的に解き明かしただけのアインシュタインに、核兵器という軍事利用の責任をなすりつけるのは、行き過ぎでしょうね。

No.1 回答者： misawajp 回答日時： 2011/11/13 16:14

（特殊）相対性原理の書物を紐解いてください