核反応

原子核物理学および原子核化学において、核反応とは、2 つの原子核、または原子核と外部の素粒子が衝突して 1 つ以上の新しい核種が生成されるプロセスです。したがって、核反応では少なくとも 1 つの核種が別の核種に変換される必要があります。原子核が別の原子核または粒子と相互作用すると、核種の性質を変えることなく分離するため、このプロセスは核反応ではなく、単に核散乱の一種と呼ばれます。

原理的には、反応には 2 つ以上の粒子の 衝突が関与しますが、3 つ以上の原子核が同時に同じ場所で出会う確率は 2 つの原子核の場合よりもはるかに低いため、このようなイベントは非常にまれです ( 3 体核反応に非常に近い例として、トリプル アルファ過程を参照してください)。「核反応」という用語は、別の粒子との衝突によって引き起こされる核種の変化、または衝突のない核種の 自発的な変化のいずれかを指します。

自然の核反応は宇宙線と物質の相互作用で発生しますが、核反応は人工的に利用して、調整可能な速度でオンデマンドで核エネルギーを得ることができます。核分裂性物質の核連鎖反応は、誘導核分裂を引き起こします。軽元素のさまざまな核融合反応は、太陽や恒星のエネルギー生産に力を与えます。

1919年、アーネスト・ラザフォードはマンチェスター大学で窒素に向けられたアルファ粒子¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p を用いて窒素を酸素に変換することに成功した。これは、ある崩壊からの粒子が別の原子核を変換するために使用される反応である、誘導核反応の最初の観察であった。最終的に、1932年にケンブリッジ大学で、ラザフォードの同僚であるジョン・コッククロフトとアーネスト・ウォルトンによって完全に人工的な核反応と核変換が達成された。彼らはリチウム7に対して人工的に加速された陽子を使用し、原子核を2つのアルファ粒子に分割した。この偉業は一般に「原子の分割」として知られていたが、これは後に（1938年に）ドイツの科学者オットー・ハーン、リーゼ・マイトナー、フリッツ・シュトラスマンによって重元素で発見された現代の核分裂反応ではなかった。^[1]

原子核反応は化学反応式に似た形式で表すことができます。化学反応式では、不変質量が方程式の両側でバランスしている必要があり、粒子の変換は電荷や重粒子数（全原子質量数）の保存などの特定の保存則に従わなければなりません。この表記法の例を次に示します。

上記の質量、電荷、質量数の式をバランスさせるには、右から 2 番目の原子核は原子番号 2、質量数 4 でなければなりません。したがって、これもヘリウム 4 です。したがって、完全な式は次のようになります。

あるいはもっと簡単に言えば:

多くの場合、核反応を記述するためには、上記のような完全な式を使う代わりに、簡潔な表記法が用いられる。この A(b,c)D という形式の表記は、A + b が c + D を生成することと同等である。一般的な軽い粒子は、この略記法でしばしば省略される。典型的には、陽子は p 、中性子は n 、重陽子は d 、アルファ粒子またはヘリウム 4 はα 、ベータ粒子または電子は β 、ガンマ光子は γ などである。上記の反応は、 ⁶ Li(d,α)αと表記される。^{[2] [3]}

運動エネルギーは反応の過程で放出される（発熱反応）場合もあれば、反応を起こすために運動エネルギーを供給する必要がある（吸熱反応）場合もある。これは、非常に正確な粒子静止質量の表^[4]を参照して次のように計算することができる。参照表によると、⁶
₃李
原子核の標準原子量は6.015原子質量単位( uと略記) で、重水素は 2.014 u、ヘリウム 4 原子核は 4.0026 u です。したがって、

• 個々の原子核の静止質量の合計 = 6.015 + 2.014 = 8.029 u;
• 2つのヘリウム原子核の合計静止質量 = 2 × 4.0026 = 8.0052 u;
• 失われた静止質量 = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 原子質量単位。

核反応では、総エネルギー（相対論的）は保存されます。したがって、「失われた」静止質量は、反応で放出される運動エネルギーとして再び現れます。その源は核結合エネルギーです。アインシュタインの質量エネルギー等価式E  =  mc ^{2を使用すると、放出されるエネルギーの量を決定することができます。まず、1}原子質量単位のエネルギー等価物が必要です。

したがって、放出されるエネルギーは0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeVです。

別の言い方をすると、質量は 0.3% 減少し、90 PJ/kg の 0.3% に相当する 270 TJ/kg になります。

これは核反応としては大きなエネルギー量です。この量が非常に高いのは、ヘリウム 4 核が「二重魔法」であるため、核子あたりの結合エネルギーが異常に高いためです。(ヘリウム 4 核が異常に安定しており、強く結合しているのは、ヘリウム原子が不活性であるのと同じ理由です。ヘリウム 4 の陽子と中性子の各ペアは、ヘリウム原子の電子ペアが満たされた1s電子軌道を占めるのと同じように、満たされた1s核軌道を占めます。) その結果、アルファ粒子は核反応の右側に頻繁に現れます。

核反応で放出されるエネルギーは、主に次の 3 つの方法のいずれかで現れます。

• 生成物粒子の運動エネルギー（荷電核反応生成物の運動エネルギーの一部は直接静電エネルギーに変換できる）^[5]
• ガンマ線と呼ばれる非常に高エネルギーの光子の放出。
• いくらかのエネルギーは準安定 エネルギーレベルとして原子核内に残る可能性がある。

生成原子核が準安定状態にある場合、原子番号の横にアスタリスク(「*」) を付けて示されます。このエネルギーは最終的に原子核崩壊によって放出されます。

少量のエネルギーがX線の形で放出されることもあります。通常、生成核は原子番号が異なるため、電子殻の構成が間違っています。電子が再配置され、より低いエネルギーレベルに下がると、内部遷移X線（正確に定義された輝線を持つX線）が放出されることがあります。

反応式を化学反応式と同様に書き表すと、右側に反応エネルギーを加えることもできます。

上で説明した特定のケースでは、反応エネルギーはすでにQ = 22.2 MeV と計算されています。したがって、

反応エネルギー (「Q 値」) は、発熱反応の場合は正、吸熱反応の場合は負で、化学における同様の表現とは逆です。一方では、最終側と初期側の運動エネルギーの合計の差です。しかし、他方では、初期側と最終側の原子核静止質量の差でもあります (このようにして、上記のQ 値を計算しました)。

反応方程式が釣り合っていても、反応が実際に起こるというわけではありません。反応が起こる速度は、入射粒子のエネルギーと流束、および反応断面積に依存します。反応速度の大規模なリポジトリの例として、合同核天体物理学研究所が管理する REACLIB データベースがあります。

反応を開始する最初の衝突では、短距離の強い力が作用できるように、粒子は十分接近する必要があります。ほとんどの一般的な核粒子は正に帯電しているため、反応を開始する前にかなりの静電反発を克服する必要があります。ターゲットの核が中性原子の一部であっても、もう一方の粒子は電子雲をはるかに超えて、正に帯電している核に接近する必要があります。したがって、このような粒子は、たとえば次のようにして最初に高エネルギーまで加速する必要があります。

• 粒子加速器;
• 原子核崩壊（ベータ線やガンマ線は原子核反応にほとんど関与しないため、ここではアルファ粒子が主な関心対象です）
• 数百万度のオーダーの非常に高い温度で熱核反応が発生します。
• 宇宙線。

また、反発力は 2 つの電荷の積に比例するため、重い原子核同士の反応は、重い原子核と軽い原子核同士の反応よりも稀で、より高い開始エネルギーを必要とします。一方、軽い原子核同士の反応は最も一般的です。

一方、中性子は反発を引き起こす電荷を持たず、非常に低いエネルギーで核反応を開始することができます。実際、粒子のエネルギーが極めて低い場合（たとえば、室温での熱平衡に相当）、中性子のド・ブロイ波長は大幅に増加し、関与する原子核の共鳴に近いエネルギーで中性子の捕獲断面積が大幅に増加する可能性があります。したがって、低エネルギー中性子は高エネルギー中性子よりもさらに反応性が高い 可能性があります。

起こり得る核反応の数は膨大ですが、より一般的であったり、注目に値する種類がいくつかあります。例としては、次のものがあります。

• 核融合反応 – 2 つの軽い原子核が結合して 1 つの重い原子核を形成し、その後追加の粒子 (通常は陽子または中性子) が放出されます。
• 破砕– 原子核が、いくつかの小さな破片を叩き出すか、多数の破片に粉砕するのに十分なエネルギーと運動量を持つ粒子に衝突します。
• 誘導ガンマ放出は、核励起状態の生成と破壊に光子のみが関与するクラスに属します。
• 核分裂反応 – 非常に重い原子核が、追加の軽い粒子 (通常は中性子) を吸収した後、2 つまたは 3 つの部分に分裂します。これは誘導核反応です。中性子の助けなしに発生する自発核分裂は、通常、核反応とは見なされません。せいぜい、誘導核反応ではありません。

^{中間エネルギーの入射体は、1 回の短い (10 −21}秒) イベントでエネルギーを原子核に伝達したり、原子核から核子を拾ったり失ったりします。エネルギーと運動量の伝達は比較的小さいです。反応メカニズムは多くの場合単純で、十分な精度で計算して標的の原子核の構造を調べることができるため、実験核物理学では特に有用です。

エネルギーと運動量だけが伝達されます。

• (p,p')は核状態間の差をテストします。
• (α,α') は原子核表面の形状とサイズを測定します。原子核に衝突したα粒子はより激しく反応するため、弾性および浅い非弾性α散乱は、小さな黒い物体から散乱された光のように、ターゲットの形状とサイズに敏感です。
• (e,e') は内部構造を調べるのに便利です。電子は陽子や中性子よりも相互作用が弱いため、ターゲットの中心に到達し、原子核を通過することで波動関数があまり歪まないからです。

エネルギーと電荷は発射体と標的の間で伝達されます。この種の反応の例をいくつか挙げます。

• (名詞,名詞)
• （³ヘ、ト）

通常、中程度の低エネルギーでは、1 つ以上の核子が発射体とターゲットの間で転送されます。これらは、原子核の外殻構造を研究するのに役立ちます。転送反応は次のように発生します。

• 発射体から標的まで -剥離反応
• ターゲットから発射体まで - ピックアップ反応

例:

• (α,n) 反応と (α,p) 反応。研究された最も初期の核反応のいくつかは、アルファ崩壊によって生成されたアルファ粒子が標的の核から核子を叩き出す反応でした。
• (d,n) 反応と (d,p) 反応。重陽子 ビームがターゲットに衝突し、ターゲット原子核が重陽子から中性子または陽子を吸収します。重陽子の結合が非常に緩いため、これは陽子または中性子の捕獲とほぼ同じです。複合原子核が形成される可能性があり、これにより追加の中性子がよりゆっくりと放出されます。(d,n) 反応は、高エネルギー中性子を生成するために使用されます。
• ストレンジネス交換反応（K、π ）はハイパー原子核の研究に使われてきました。
• 1917年にラザフォードが行った（1919年に報告）反応¹⁴ N(α,p) ¹⁷ Oは、一般的に最初の原子核変換実験と見なされています。

中性子との反応は原子炉や核兵器において重要です。最もよく知られている中性子反応は中性子散乱、中性子捕獲、核分裂ですが、一部の軽い原子核（特に奇数-奇数原子核）の場合、熱中性子との最も起こりやすい反応は移行反応です。

いくつかの反応は高速中性子でのみ可能です。

• (n,2n)反応では、高放射性アクチニド生成物が比較的少ないトリウムサイクルで、少量のプロトアクチニウム231とウラン232が生成されます。
• ⁹ Be + n → 2 α + 2nは、核兵器のベリリウム 中性子反射体にいくつかの追加の中性子を供給することができます。
• ⁷ Li + n → T + α + nは、米国が実施した3つの最高出力の核実験であるキャッスル作戦のブラボー、ロミオ、ヤンキーのショットで予想外に追加出力をもたらしました。

低エネルギーの発射体が吸収されるか、高エネルギーの粒子がエネルギーを原子核に伝達して、完全に結合するにはエネルギーが大きすぎる状態になります。約 10 ⁻¹⁹秒の時間スケールで、粒子 (通常は中性子) は「蒸発」します。つまり、十分なエネルギーがたまたま 1 つの中性子に集中して相互引力から逃れるまで、中性子は結合したままになります。励起された準結合原子核は複合原子核と呼ばれます。

• 低エネルギー（e、e' xn）、（γ、xn）（xnは1つ以上の中性子を示す）、ガンマまたは仮想ガンマエネルギーが巨大双極子共鳴に近い。これにより、電子加速器の周囲に放射線遮蔽の必要性が増す。

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• シュミッツ、テイラー (1973)。核物理学。ペルガモン出版。ISBN 0-08-016983-X。
• ベルトゥラーニ、カルロス（2007年）。核物理学を一言で言えば。プリンストン大学出版局。ISBN 978-0-691-12505-3。