お願いします。１問でもいいので教えてください

締切済

質問者：radio-cross
質問日時：2012/11/20 03:41
回答数：4件

１．次の計算を行い、有効数字3桁の正規化された指数表記で（＊．＊＊×10*の形で）回答しなさい。
１）宇宙の年齢（137億年）は何秒か。
２）現在観測されている最も遠い銀河までの距離（130億光年）は成人女性の平均身長（158cm）の何倍か。

２．次の原子核反応式について、以下の問いに答えなさい。
1H+1H→2H+e++ν ・・・（a）
2H+1H→3He+γ ・・・（b）
3He+3He→4He+1H+1H ・・・(c)
１）この一連の反応は何と呼ばれるか、名称を記しなさい。
２）この一連の反応はどのような意味で重要か。3つ記しなさい。
３）このような反応が更に進むと、最終的に鉄(Fe)の原子核まで形成されるが、それ以上に質量数の大きい原子核は形成されないことが分かっている。その理由を答えなさい。
４）３）の理由は、Fe原子核が形成された後に起こる現象と密接に関係している。
それはどのような現象か、また、(3)の理由はなぜこの現象に結びつくのか。
現象の名称と「なぜ」の両方について答えなさい。

３．現代の天文学の発展には、高性能の計算機を用いた数値実験（シミュレーション）が大きく貢献しているが、研究手段として数値実験が必ずしも相応しくない／数値実験を行う意義が乏しい分野もある。以下に挙げる分野について、数値実験が研究手段として相応しいか相応しくないか、及びその理由を説明しなさい。
１）太陽以外の恒星が惑星を持つ場合の惑星の大きさ・個数・組成および内部構造
２）複数の銀河が融合しながら渦巻や円盤状の形状を持つに至る過程
３）白色矮星の内部の構造や組成
４）主系列星の中心部で生まれたエネルギーが表面にまで伝わるプロセス

です。

全然わからないのでお願いします。

ヒントとかではなく答えをしりたいです

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回答 (4件)

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No.4

回答者： iapetus
回答日時：2012/11/27 21:50

No.3です。

何もリアクション無しですか？。

あれから２．の１）も多分解ったので、追記します。２）は判らなかった。
１は、電卓叩くだけかと。
桁が大き過ぎるなら、関数電卓で指数表示でやるか、Excelなどの表計算ソフトを使えば、全桁表示で桁落ちなしに誤差を最小限にした計算ができます。

> １）宇宙の年齢（137億年）は何秒か。

　１年×137億年
　＝364.2422日×24時間×60分×60秒×13,700,000,000年
　＝31,556,926.08秒×13,700,000,000年　・・・・(a)
　＝432,329,887,296,000,000秒
　≒ 4.323×10**17秒　 (但し、少数第五位四捨五入、及び「**」は累乗表示とする）

> ２）現在観測されている最も遠い銀河までの距離（130億光年）は成人女性の平均身長（158cm）の何倍か

　１）の(a)より、１年秒＝31,556,926.08秒
　光速度を、299,792,458,000cm/秒とする。

　130億光年
　＝130億年×１年秒×光速度（cm/毎秒）
　＝130億年×31,556,926.08秒×299,792,458,000cm/秒
　＝122,986,869,673,818,000,000,000,000,000cm ・・・(b)

　(b)÷158cm
　＝778,397,909,327,959,000,000,000,000倍
　≒7.784×10**26倍　 (但し、少数第五位四捨五入、及び「**」は累乗表示とする）

> ２．次の原子核反応式について、以下の問いに答えなさい。
> 1H+1H→2H+e++ν ・・・（a）
> 2H+1H→3He+γ ・・・（b）
> 3He+3He→4He+1H+1H ・・・(c)

> １）この一連の反応は何と呼ばれるか、名称を記しなさい。

　この３つの反応式は、「陽子-陽子連鎖反応（p-pチェイン）」ですね。
　主系列星の中心部で起こっている、水素からヘリウムを生成する核融合反応の経過を表した式です。
　
　(a)は、Hは水素原子ですが、基本、原子は高温によるプラズマ状態なので水素原子核（＝陽子(p)）２つが融合し、陽電子（+e)とニュートリノ（電子ニュートリノ(νe)）を放出して、重水素原子核（D)になる反応。
　このうち、ニュートリノは他の粒子と反応しないまま恒星外へ逃げ出し、陽電子は周囲の電子と瞬時に対消滅し、ガンマ線となります。

　(b)は、重水素原子核が陽子と融合してヘリウム３となりガンマ線が放出される反応。

　(c)は、ヘリウム３が２つ融合して、ヘリウム４と陽子が２つ放出される反応。

　以上の反応は、太陽の数倍の質量までの恒星中心で起こる反応、ということで。

２）はどうしても判りませんでした。

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No.3

回答者： iapetus
回答日時：2012/11/22 16:23

物理専攻でないもので。

恐縮ですが、稚拙な説明に終始するかもしれません。

２．の３）と４）だけ回答します。
　　２の１）と２）は・・・、恒星内の核融合とかと関係がありそうな、ないような・・・。

> ３）このような反応が更に進むと、最終的に鉄(Fe)の原子核まで形成されるが、それ以上に質量数の大きい原子核は形成されないことが分かっている。その理由を答えなさい。

　厳密には、鉄（厳密には質量数56の鉄。鉄の全同位元素総量の91.72%。以下、元素(質量数)と表現します。）です。

　原子核には、質量数に応じて、エネルギー準位というものがあります。

　恒星内で炭素や重核子が核融合をすると、最もエネルギー準位の高い、Ni(質量数56のニッケル)までが合成されます。
　しかし、Ni(56)の原子核は、不安定で２度のβ+崩壊をして、最終的にFe(56)になって安定します。

　表現が幼稚で恐縮ですが、これが、問い３）の答えだと思います。

　つまり、核融合反応においては、最終の生成元素は、鉄になり、それ以上反応は進まなくなり、大質量の恒星の中心核には、どんどん鉄が溜まっていきます。

> ４）３）の理由は、Fe原子核が形成された後に起こる現象と密接に関係している。
> それはどのような現象か、また、(3)の理由はなぜこの現象に結びつくのか。
> 現象の名称と「なぜ」の両方について答えなさい。

　（詳細は、Wikipediaの、「超新星」の「II型」の項を参照してください。）
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E6%96%B0% …

　第質量恒星の鉄の中心核が、さらに高温になると、鉄はガンマ線を吸収してヘリウムと中性子に核分裂を起こし（鉄の光分解）、このエネルギー吸収が中心核を支えていた縮退圧を一気に失わせ、中心核は重力により爆縮を起こします。
　爆縮は、収縮の反動による猛烈な衝撃波を発生させ、そのために周辺のガスが圧縮され一気に核融合反応爆発を起こし、周辺のガスが吹き飛び、超新星爆発となります。

　４）の答えは、「超新星爆発」という名称の爆発であり、その原因が鉄原子の生成が切っ掛けとなって、爆発に至るプロセスを説明すればよいのではないでしょうか。

　回答外の説明になるかもしれませんが、付け加えるなら、その中心核はそのまま重力崩壊を続け、陽子が電子捕獲をして中性子となって中性子の縮退圧で支えられた中性子性となるか、中性子の縮退圧を重力が上回ると、崩壊を続けブラックホールとなります。
　この、超新星爆発とブラックホールによる超重力の圧縮により、鉄より重い金属も生成されるそうですが、メカニズムがよく判っていないという話もありますが、地球にある、炭素、窒素、酸素、リン、鉄などは、遠い昔に死んだ星が作ったものなのは、確実なのであり、我々の身体がその星の土塊で作られている事実は、感動的ではあります。　

３．の一部について、一部参考になる情報を示します。

> １）太陽以外の恒星が惑星を持つ場合の惑星の大きさ・個数・組成および内部構造
> ２）複数の銀河が融合しながら渦巻や円盤状の形状を持つに至る過程

　　>>　１）、２）共に不明

> ３）白色矮星の内部の構造や組成

　Wikipedia　「白色矮星」　物理的性質の項参照
　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BD%E8%89%B2% …

　組成は、ヘリウム、炭素、酸素、ネオン、マグネシウムなど
　内部構造は、不明。ダイアモンドの核があるとする学者もいるとか。

> ４）主系列星の中心部で生まれたエネルギーが表面にまで伝わるプロセス

　太陽は、典型的主系列星なので、
　Wikipedia　「太陽」　内部構造の項参照
　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD