お尋ねします。

ある本で、
「恒星での核融合反応で鉄までの元素がつくられ、超新星爆発で融合反応ではつくれない元素(鉄より重いウランまでのすべての元素を含む)をつくるものと考えられる」
とありましたが、鉄より重い元素がつくられる具体的なプロセスが書かれていませんでした。
どのようにして鉄より重い元素はつくられるのでしょうか?
無学なので難しい専門用語などはわかりません。詳しい方に簡単に教えていただければと思います。
お手数おかけいたします。回答、お願いいたします。

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A 回答 (3件)

>無学なので難しい専門用語などはわかりません。


それでは「イメージ」として書かせていただきますね。

核融合ができる環境では、そのエネルギー(温度)に見合った融合をします。
エネルギーが高いほど「陽子」(面倒な過程の話は抜きにして、ここでは「陽子」としてしまいます)はどんどん融合して行きます。しかし無限ではなく「安定する数」と言うのがあって、陽子の数が「26個(鉄)」で安定するようです。
ですから、核融合ができる環境で仮に陽子が27個くっついてもすぐに壊れてしまいます。
でも、我々の環境の下では壊れることはないです。

ではどうやったら27個以上の元素ができるかと言うと、核融合の環境ではない環境の下で、「ぶっつける」しかないわけです。
ぶっつけて27個、28個、29個・・・と、どんどん増やすしかないですが、「陽子」は「+」の電気を帯びているために、そう簡単にはくっついてくれません。
そのためには途轍もないエネルギーが必要となり、実は超新星爆発(スーパー・ノバ)よりも大きい「ハイパー・ノバ」や、「中性子星」同士の衝突による莫大なエネルギーで作られていると考えられているようです。
核融合の環境の下で「鉄」までが作られ、爆発などの力で周囲に吹き飛ばされて、核融合の環境から外れたところで莫大なエネルギーにより飛んできた陽子がぶつかって融合し、27個以上の元素が作られて行く。
電気の反発に打ち勝って近づくと、「核力」と言われる力により強固に結びつきます。
この核力を働かせるまで近づけるのに莫大なエネルギーが必要となるようです。

細かいところは抜きにして、大筋はこれで間違いないと思います。

余談になるかも知れませんが・・・
人間が認識している元素は、自然界で92種類あります。
92番目は「ウラン」ですが、陽子が92個あります。そして中性子が143個のウラン235は「核分裂」を起こし易い元素です。
核分裂を起こす環境ではない、我々の環境の下でも「不安定」な状態らしく、自発的に分裂を起こすこともあるようです。
今の環境では92個が限界のようです。
実験室レベルでは93個以上のものも作っていますが、今の環境の下での寿命は、ナノ秒レベルのようです。
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この回答へのお礼

mazeran様

はじめまして、回答ありがとうございます。

「鉄」が力学的に安定した元素で、それを他の元素に変化させる(安定した物を変えようとする)には莫大なエネルギーが必要だというお話は、私のようなものでも感覚的に理解しやすく大変勉強になりました。
「中性子星」というのは、超高密度(コンパクト)な天体だと聞きましたが、それら同士の衝突ともなると・・・私には到底イメージできないのですが、それ程のエネルギーが必要ということなのですね。

最後の元素についてのお話も大変興味深く、楽しく読ませていただきました。

学生時代にしっかり勉強しておけばと後悔しているところです。今から自分の興味のある話題(天文)から本など読み勉強してみたいと思います。

親切・丁寧な回答ありがとうございました。

お礼日時:2009/05/29 13:12

基本的には全て「既存の元素が中性子を吸収して大きくなる」ということです.


超新星爆発を起こすときに, 中央部は中性子が非常に多くなります. これらの中性子の一部はニュートリノの流れにのって外へと吹き飛ばされていきます. そして, このようにして吹き飛ばされて中性子が外部に残っている元素とぶつかって, 新しい (より質量の大きい) 元素ができます. このときには短時間に多量の中性子を吸収するので r-過程 (rapid process) とよばれます.
一方, 第2世代以降の「既に金属を含む」構成の場合, 中心部でできる中性子の一部をこれらの金属元素が吸収することがあります. これはゆっくりと中性子を吸収するので s-過程 (slow process) と呼ばれます.
この 2つの過程は中性子の吸収速度が異なり, それによって「できやすい元素」が異なっています.
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この回答へのお礼

Tacosan様

はじめまして、回答ありがとうございます。
なるほど!中性子が大きな役割を果たしているのですね。
吸収速度によって「できやすい元素」が異なるというのも興味深いですね!
わかりやすい解説ありがとうございます。
また機会がありましたら、よろしくお願いします。

お礼日時:2009/05/29 12:31

こんばんは。



私も詳しくは知らないのですが、
超新星爆発は、高い圧力と高温が伴いますので、強制的に原子核同士がくっつけられます。
つまり、「(広義の?)核融合」と言って差し支えないと思います。

つまり、
「融合反応ではつくれない元素」というのは、「恒星での(狭義の)核融合ではつくられない元素」ということだと思います。

こちらには、「ウラン238以上の重い核種まで」と書いています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99% …

ちなみに、
超新星爆発時よりは、かなりゆっくりですが、
原子核に外から来た中性子がぶつかって、重い原子核となり、
それがベータ崩壊して(=中性子から電子が抜けて陽子に化けて)、
原子番号が1つ上がる、というプロセスもあることはあります。
(これも、上のリンク先に書いてありますが)

ご参考に。
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この回答へのお礼

sanori様

はじめまして、お忙しい中の回答ありがとうございます。
言葉の表現上の問題だったのですね(核融合は核融合)!
超新星爆発以外のプロセスも教えていただき勉強になりました。
リンク先も大変参考になりました。
興味がわいてきたので書籍など探して勉強してみようかと思います。
親切・丁寧な回答ありがとうございました。

お礼日時:2009/05/29 12:04

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(参考URL参照)

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%89%E5%AE%9A%E3%81%AE%E5%B3%B6

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#3番の方の説明が完璧なんですが、言葉の意味がわからないかもしれないので補足です

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(密度=単位堆積あたりの重さ)
重さを求める時は「体積×密度(比重ではありません)」で求めます

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100(mm)×100(mm)×6(mm)×7.85(g/cm3)ではmmとcmが混在しているので間違いです
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#3番の方の説明が完璧なんですが、言葉の意味がわからないかもしれないので補足です

比重は「同じ体積の水と比べた場合の重量比」です
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(密度=単位堆積あたりの重さ)
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おっしゃるとおり、計算をする時は単位をそろえる必要があります
100(mm)×100(mm)×6(mm)×7.85(g/cm3)ではmmとcmが混在しているので間違いです
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鉄の熱が伝わる時間。-30℃の鉄を+30℃の部屋へ入れた時に、鉄が完全に+30℃になる時間の計算と方法がわかりません。
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Q比重と比重量

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ぜひとも、わかりやすく教えてください。

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(3) 比重と単位体積重量の違い

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単位体積重量は、(質量)密度とも言い、ある物質単位体積あたりの質量です。

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光速になった飛行船内の質量が重くなり、核融合が始まると聞きました。
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液体のpHと比重の関係について質問させて下さい。
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Aベストアンサー

 No.1さんのおっしゃる通り、比例関係にはなりません。しかし、関係づけることはできます。ただし、ほかのいろいろなものが分かっていないといけません。
 pHの定義は、
pH=-log(c(H+)/(mol dm^(-3))) …(1)
です。c(H+)は、H+のモル濃度です。いま、液体がアルカリ性とのことなので、水のイオン積Kwと
Kw=c(H+)・c(OH-) …(2)
の関係にあります。また、このアルカリ性を与えている塩基(塩基とアルカリは、この場合同じ意味と考えてかまいません)をBとして、Bが強塩基か弱塩基かにもよりますが、一般的に次の電離平衡
B + H2O ⇔ BH+ + OH-
が成り立っているとします。Bは、例えばアンモニアNH3などを考えるとよく、その場合は、
NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH-
となります。このときの、OH-が元の塩基Bに対してどれだけ存在するかを表す電離度をαとおくと、c(OH-)は、元の(仕込んだ)塩基のモル濃度のα倍になります(0≦α≦1)。
 また、ある溶液について、そこに溶けている溶質のモル濃度c(溶質)と、その溶液の密度ρ(溶液)は、溶質の溶液中での質量分率w(溶質)(質量パーセント濃度のことだと思って下さい)、溶質のモル質量M(溶質)(溶質の分子量に単位g/molをつけたものです)を用いて、
c(溶質)=ρ(溶液)・w(溶質)/M(溶質) …(3)
の関係にあります。溶質を塩基とすると、さきほどの電離度αを用いて、
c(OH-)=c(溶質)・α …(4)
の関係があります。
 式(1)のc(H+)に式(2)のc(H+)を代入し、そこに式(4)のc(OH-)を代入し、さらにそこに式(3)のc(溶質)を代入して計算すると、
pH=log(ρ(溶液)/(g/cm^3))-log[{M(溶質)/(g/mol)・Kw/(mol/dm^3)^2}/{w(溶質)/10^(-2)・10α}]
となります。比重は、厳密に言えばあるものの密度の4 ℃の水の密度に対する比で、4 ℃の水の密度は0.999973 g/cm^3という報告がありますが、おおよそρ(密度)/(g/cm^3)を比重として大丈夫なので、比重の記号をdとすると、
pH=log d-log[{M(溶質)/(g/mol)・Kw/(mol/dm^3)^2}/{w(溶質)/10^(-2)・10α}] …(5)
となります。式(5)が、比重dとpHの関係式です。これを簡略化して見ると、
pH=log d+(何とか)
の形になっています。つまり、pHは、比重の対数の1次関数、という関係です。比重の対数を取るということと、それに定数項を差し引きするということになりますので、比例ではありませんね。
 ちなみに、式(5)のM(溶質)/(g/mol)、Kw/(mol/dm^3)^2、w(溶質)/10^(-2)は、それぞれ溶質のモル質量、水のイオン積、溶質の質量分率を、単位g/mol、(mol/dm^3)^2、10^(-2)(すなわち%)で表したときの数値を表しています。こうすると実用上便利ですので。

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 pHの定義は、
pH=-log(c(H+)/(mol dm^(-3))) …(1)
です。c(H+)は、H+のモル濃度です。いま、液体がアルカリ性とのことなので、水のイオン積Kwと
Kw=c(H+)・c(OH-) …(2)
の関係にあります。また、このアルカリ性を与えている塩基(塩基とアルカリは、この場合同じ意味と考えてかまいません)をBとして、Bが強塩基か弱塩基かにもよりますが、一般的に...続きを読む

Q永久磁石が鉄につく原理

なぜ、永久磁石は鉄にくっつくのですか。つく原理を教えてください。永久磁石がなんらかの形でエネルギーを出しているのですか。

Aベストアンサー

質問の意味が二通りに考えられるので、2種類の答えをしてみます。
なお、くっつくのにエネルギーは要りません、逆にくっついているものを引き離すのにエネルギーが要ります。これは、重力の例で言うと、地面に物を落とすのにエネルギーは要らないけど、持ち上げるのにエネルギーが要るのと同じです。

1.そもそも、なぜ磁性を持ったものは引きあったり反発しあったりするのか?
 この答えは非常に難しいです。電気の+/-で働く力、重力の引き合う力などと同じで、物理学の根本にかかわる力の一つだからです。今のところ、なぜだか分からないがこの世にはそういう力が誕生した、と言うしかないですね。素粒子論の「電磁相互作用」を調べれば、少しはイメージが湧くかも知れません。

2.なぜ、永久磁石や鉄だけがくっつくのか?
 #1さんの説明がかなり近いのですが、物理系の専門家でも良く勘違いをする間違いが有るので補足を。磁石の基となるのが電子のスピンと呼ばれるものであるのは、#1さんの説明のとおりです。
 次に、原子や分子、化合物の中でそれらの電子の配置によって、↑と↓のスピンが相殺してしまうと磁石にならないのも#1さんの説明のとおりで、こういう物質を磁性用語で「反磁性」と呼びます。
 んじゃー、スピンが相殺されずに余りが出来れば磁石にくっついたり、磁石になるかというと、そうはいきません。原子単位で存在するスピンの力は非常に弱く、よほど強い磁場を使わないと揃いません。このように、原子がスピンを持っているけど揃う力の無い物質を「常磁性」と呼びます。
 次に、原子の持つスピンどうしに電子を通して交換相互作用(単純な磁場の力では有りません)と呼ばれる強い力が働く物質が有ります。この相互作用が、スピンを同じ向きに揃えるような場合は「強磁性」、逆向きに揃える場合を「反強磁性」と呼びます。反強磁性の場合には、せっかく原子がスピンを持っていても、隣の原子とスピンが逆方向に向き合ってしまうので、やっぱりスピンが相殺してしまいます。ただ、この反強磁性の仲間に、化合物などで原子の持つスピンの大きさが異なっている場合が有ります。その場合には、反強磁性であっても、スピンが完全には相殺されずに引き算の残りが出ます。こういう物質を「フェリ磁性」と呼びます。
 上に挙げたいろいろな磁性の中で、強磁性とフェリ磁性は、たくさんの原子のスピンがお互いに強い力で結合して、巨大なスピン(磁気モーメントとか磁化と呼んでいます)を形成し、磁石にくっつくようになります。
 しかし、これらが全て永久磁石として使えるわけでは有りません。例えば、代表的な強磁性体で有る鉄です。確かに大きな磁化を持っているのですが、鉄の磁化はその方向が自由に動きやすく、そのために磁場を加えない状態では、ミクロン程度以上の大きさの「磁区」と呼ばれる領域単位で磁化の方向が回転し、切り取った鉄の塊全体では磁化が打ち消し合うような配置になってしまいます。この方が、鉄自身が出す磁場との相互作用エネルギーが低くなるからです。このように、磁化が動きやすく、磁場を加えると容易に磁化を出すが磁場を消すと直ぐに磁化が消える磁性体を「軟磁性体」と呼びます。これは、電磁石の磁芯などには便利な性質なので、そういう方面に使われています。
 一方、磁石に使われる材料は、主に結晶の持つ性質で、一定方向に磁化が固定されやすく、簡単にはその方向を変えません。このような物質に熱を加えて(温度が上がると磁化が動きやすくなる)強い磁場で一定方向に磁化を揃え(着磁と呼びます)、室温に戻したものが磁石として使えるのです。こういう磁化の動きにくい物質を「硬磁性体」と呼びます。それでも、あくまで磁化は「動きにくい」だけなので、磁石にも熱を加えたり、衝撃を与えたり、時間が経つと軟磁性体と同じように徐々に磁化が消えていきます。

質問の意味が二通りに考えられるので、2種類の答えをしてみます。
なお、くっつくのにエネルギーは要りません、逆にくっついているものを引き離すのにエネルギーが要ります。これは、重力の例で言うと、地面に物を落とすのにエネルギーは要らないけど、持ち上げるのにエネルギーが要るのと同じです。

1.そもそも、なぜ磁性を持ったものは引きあったり反発しあったりするのか?
 この答えは非常に難しいです。電気の+/-で働く力、重力の引き合う力などと同じで、物理学の根本にかかわる力の一つだからです...続きを読む


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