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宇宙で最初の恒星はビッグバンの直後に形成された最も軽い３種類の元素、水素 (原子番号１)、ヘリウム (原子番号２)、リチウム (原子番号３)のみを含んでいた。ほとんどが水素とヘリウムである。このガスは重力で収縮し、中心部の温度が1000万度を超えると、水素の核融合反応が始まり、恒星として輝き始めた。
水素の原子核は陽子である。２つの陽子が衝突して重水素原子核ができる。このとき、２つの陽子のうち、一つが陽電子とニュートリノを放出して中性子に変わる（ベータプラス崩壊）。陽電子は周囲にある電子と対消滅して熱エネルギーに変わる。重水素原子核は陽子と中性子からなる。重水素原子核に水素原子核である陽子が結合するとヘリウム３原子核（陽子２個と中性子１個）ができる。ヘリウム３原子核同士が核反応してヘリウム４原子核（陽子２個と中性子２個）と、２個の水素原子核（陽子１個）ができる。ヘリウム原子核は燃えかすとして恒星の中心にたまり、その外で水素は核反応を続けた。水素原子核が少なくなり、核反応が弱くなると、温度が下がるため、中心核が重力で収縮し、温度と圧力が上昇し、ヘリウムの核反応が始まる。ヘリウム原子核３個が炭素原子核（陽子数６個）１個に変わる。さらに、炭素原子核とヘリウム原子核から酸素原子核（陽子数８個）ができる。続いて、炭素が核反応を起こす。炭素原子核２個からネオン（陽子数10個）、ナトリウム（陽子11個）、マグネシウム（陽子数12個）等の原子核ができ、さらにいろいろな核反応がおきてケイ素（陽子数14個）、鉄（陽子数26個）などの原子核ができた。
恒星の内部で主要な核反応が終わり、熱の発生がなくなると恒星の芯は収縮する。収縮すると温度が上がり、次の核反応が始まる。段階的に構成の内部は高温・高圧になる。あとになってできる原子核ほど重いので中心にたまり、年老いた恒星の内部は、鉄を中心に何層かの層状になった。原子番号が大きくなると、原子核どうしのクーロン斥力 (同じ電荷を持つ粒子が互いに反発する力。原子核は陽子のプラス電荷を持っている) が大きくなるため、核融合が起こりにくくなる。核融合で生成し得る元素は原子番号26である鉄が限界である。
鉄より重い元素は、中性子の吸収により生成される。中性子は電荷を持たないため、クーロン斥力が働かず、周囲の原子核と衝突して吸収されやすい。中性子が過剰となった原子核は不安定となり、過剰な中性子が電子とガンマ線を放出して陽子となり、ひとつ原子番号の大きな元素となる。重元素の生成プロセスは、大質量星が寿命を終える際の大爆発である超新星爆発の際に急激に起こる。
中心の温度が数十億度に達したところで強い重力による圧力で鉄の原子核が潰れて中性子の塊に変わった。中心部が潰れるため、その周囲にあった物質は急激に中心へ落ち込み、衝撃波が発生して大爆発を起こした。超新星爆発である。恒星を形作っていた大部分が宇宙空間に吹き飛ばされた。芯は中性子星となった。さらに巨大な星は、大質量のために中性子の塊も重力崩壊し、ブラックホールとなった。
第一世代の恒星は巨大ブラックホールとなった。
第二世代の恒星は第一世代の恒星の超新星爆発の残骸と、残されていた水素やヘリウムガスを主成分に形成された。この世代以降は第一世代恒星と比べると小粒ではあるが、通常サイズである。すなわち、主系列星と呼ばれ、安定していて、寿命も数億年から100億年くらいある。大きい恒星ほど寿命が短い。恒星は第一世代と同じ核融合反応をエネルギー源として輝いたのち、大きく膨らみはじめ、低温で明るい「赤色巨星」になる。
あまり質量の大きくない恒星は、外層部のガスを放出したのち芯が収縮して白色わい星になった。核反応を起こさなくなったとはいえ、しばらくは表面は高温である。大きさは惑星ほどで高密度である。質量の大きな恒星は最後に超新星爆発を起こし、中性子星を残した。超新星爆発により放出されたガスやチリは星間雲になり、新しい星を作る材料になった。我々の太陽や地球の材料も、ばらまかれた星の残骸である。
+++ 核融合反応には高温高圧が必要 +++
核融合反応は原子核のクーロン斥力を凌駕するエネルギーで原子核を押し付ける必要があるため、高温（素粒子にとっては運動エネルギー）が必要です。恒星の中心部では高圧によって原子核密度が高いため、比較的低温でも核融合反応が起きますが、地球上では10倍から100倍高い温度を達成する必要があります。
複数の原子核が一つの原子核に変化する核反応は核融合反応、逆に一つの原子核が複数の原子核に変化する反応は核分裂反応です。ウラン253の核分裂では質量の0.0009%がエネルギーに変換され、水素原子核がヘリウム原子核になるまでに質量のおよそ0.7%がエネルギーに変換されます。
+++ 巨大な原子核は自発的に分裂する +++
核分裂は大きな原子核が自発的に分裂する反応です。一定の確率で分裂するので、何もする必要はありませんが、中性子を使って原子核を不安定にし（不安定な同位体に変換し）、核分裂を促進させることができます。ウランやプルトニウムの核分裂では副産物として中性子も生成しますので、連鎖的に核分裂を起こすことができます。
発生した中性子がどの原子核にも吸収されずに外に出て行けば、連鎖反応は起こりません。ところが、核物質のサイズが大きくなると、1回の核分裂で発生した中性子が必ず複数の原子核の核分裂を誘導するので、連鎖反応が起こります。連鎖反応が起こる最少量を臨界と呼びます。原子炉では中性子を吸収する物質を核燃料の中に入れて、核反応を制御しています。
+++ 核反応は化学反応より遥かに大きなエネルギーを発生する +++
実用化されている原子炉は、ウランやプルトニウムの核分裂反応を利用したものです。核融合反応のほうは、核兵器（水素爆弾）に利用（という言葉が適切かどうか微妙なところですが）されているだけです。これらの応用例からわかる通り、核反応は化学反応に比べて大きなエネルギーを取り出すことができます。
核融合はまだエネルギーとしては水素爆弾以外に利用できていませんが、核分裂は原子炉として実用化されています。
+++ 原子炉の管理の基本は放射性物質の管理である +++
東海村に日本初の原子力発電所ができたのは1966年です。すでに運転を終え、解体・廃棄処分されました。これから次々と原子炉が廃止処分され、大量の核廃棄物や放射能汚染された原子炉本体などが処理されます。また、廃棄場は数百年は放射能汚染（漏洩）に関して十分に管理する必要があります。
核廃棄物を封じ込めるために被覆燃料粒子が考案されています。核燃料物質をセラミックス上に固め、さらに、中性子の速度を減速する炭素を多く含む層で被覆してあります。大きさは直径1mmから小石サイズまで。被覆の硬度が十分であれば核燃料の取り扱いが楽にできます。定期的に取り出して被覆と発生温度を検査し、核分裂反応が終了しているようであればそのまま保管廃棄します。この一粒一粒が原子炉です。
原子炉も次世代として高温炉が検討されています。原子炉冷却材に不活性ガスであるヘリウム(He)を使い、粒子の隙間を通して発生した熱を800℃以上の高温ガスとして取り出します。高温ガスの特徴を生かして、発電だけでなく、化学プロセス産業用熱源、水素製造、地域暖房など、温度により多段階で複数の用途に利用できるとされています。
+++ 放射性廃棄物を考えると原子力発電はコストが合わないのではないか +++
原子力発電は公害を起こさないクリーンな発電であると宣伝され、すでに全国の30％もの電力を担っていますが、これから処分費用が発生してきます。しかも、廃棄物を管理しなければならない時間は原子炉を利用できる運転寿命を遥かに越えます。単純に考えると、原子力発電を続ける限り、廃棄物は蓄積する一方となります。
システムの管理に対する費用を十分に評価しなかったため、様々な手抜き的体質が問題となっている原子力発電。これからは高レベル放射性廃棄物の管理も含まれてくることになります。隠蔽・ずさん体質は変えなければならず、また、費用に対する手当てもリアルタイムに評価すべきではないでしょうか。国家政策として推進したため、コスト・ベネフィットの分析が十分になされなかったと考えられます。本当は他のエネルギー源と比べて安いのでしょうか。そろそろ市場原理を導入すべきでしょう。
+++ 原子は3種類の粒子からできている +++
すべての原子はたった3種類の基本粒子からできています。電子、陽子、中性子です。考えてみると不思議なことです。原子の多様性は電子と陽子の数によって決められます。
メンデレーエフは周期律表を発見しました。多数の元素の性質を原子量（元素の重さ）、原子価（結合の数の比）、どんな元素と化合するのかを整理すると、原子量に対して類似した性質が繰り返し出現します。原子番号の概念のない周期律表で、不完全なルールしかありませんでしたが、とにかく表にしてみると、空欄があります。空欄に当てはまる性質を持つ元素が発見されて周期律表の正しさが確認されました。理論も精密になって、現在の周期律表が完成しました。整理する基準も原子量ではなく、原子核中の陽子数である原子番号になりました。
周期律表は一番外側に位置する（エネルギー順位が高い）電子によって説明されます。電子は2個でペアを作り、軌道を作ります。軌道がいくつか組み合わされて殻を作ります。軌道の種類や数についての規則は主量子数により整理されます。リチウム、ナトリウム、カリウムは殻の外側に1個電子(余分?)を持っていて、アルカリ金属と呼ばれています。また、フッ素、塩素、臭素は、電子がもう１個あれば、殻が完成します。ハロゲン元素と呼ばれています。アルカリ元素とハロゲン元素は一緒に置くと、電子が１個アルカリ元素からハロゲン元素に移動して、その結果どちらも殻が完成します。アルカリ原子は1個電子を失い、プラス電気を帯び陽イオンになり、ハロゲン原子は１個電子を受け取りマイナス電気を帯びて陰イオンになります。そして陽イオンと陰イオンが引き合います。この結合はイオン結合と呼ばれます。
+++ 原子の化学的な性質は電子が決める +++
電子の取引可能な数は一番外側の軌道の数と、軌道の電子ペアの数できまります。原子番号が増えること、それは原子核の周りの電子の数が増えることです。電子はエネルギーの低い軌道から順番に席を占め、ペアを作りながら殻を完成させます。殻の外側に孤立した電子があるときは電子を失いやすく(陽イオン)、殻ができかかっていて電子の入る席があるときは電子を受け取りやすい（陰イオン）。
原子番号の大きな元素はいずれも金属の性質を持ちます。原子の内側の殻は十分な数の電子により埋められ安定です。外側ほど軌道の数が多くなり、軌道の間のエネルギーの差が小さくなります。また、内側の電子の遮蔽効果で、原子核との結びつきが弱くなっているとも考えられます。したがって、電子は隣の原子の同じレベルの軌道に移りやすくなっています。陽電荷を帯びた原子の周りを自由に軌道の間を移動できる電子群が取り巻くこと、これが金属結合です。金属が変形に対して柔らかく、また、鏡のような光沢をもつ性質は自由電子により説明できます。
+++ 古代から少数の要素で万物を説明する理論があった +++
古代ギリシャは多くの哲学者を輩出し、いずれも、自然界の成り立ちや変化について多用な説明がなされました。有名どころとしては、万物の根源が水であるとしたタレスです。アリストテレスはアルケーが水・空気・火・土の四つの四元素説を唱えました。ギリシャ哲学では根源物質はアルケーと呼ばれ、ヨーロッパに引き継がれました。
根源物質はギリシャの専売特許ではありません。古代中国では陰陽五行説が有名です。陰と陽は対概念で、明暗、天地、表裏、上下、男女、剛柔、善悪、吉凶など、さまざまな現象を整理するのに便利です。五行は木、火、土、金、水の5要素で、アリストテレスの四元素説と同質です。
仏教で宇宙の万物を構成する５つの要素は地・水・火・風・空の５つで、五大・五智輪ともいいます。宮本武蔵の五輪書はこの「五輪」になぞらえて、武芸法の心得を綴ったもので、地水火風空の５つの巻があります。
では、イスラム教では？ キリスト教もですが、一神教のためか物質的な基本原理についての考察はありません。しかし、イスラム世界はヘレニズム文明を引き継いで、中世では科学･技術の最高峰に達しました。その後、キリスト教社会がイスラム文明を輸入し、実験･実証を基礎とした科学思想を確立したのは偶然ではないかもしれません。
+++ 元素は化学的な操作では成分に分けられない +++
万物の根源を仮定して森羅万象を説明する哲学が成立すると、その次は万物の根源物質の探索になります。精錬、精製、純化、抽出。いずれも物理化学的な操作を表現する言葉で、鉱物から金属を、植物などから薬効成分を取り出す操作を意味します。混合物から一つの要素を取り出す作業なので、エントロピーを下げる、またはエネルギーを消費する作業です。不純物を取り除く操作なので、社会的にもプラスのイメージを持ちます。取り出された成分は高貴で、効果が高く、貴重なものとして珍重されます。
中世の錬金術師が考案した物質の抽出技術は、物質を混合して生じる沈殿物を集めたり、逆に除いたり、水にさらしたりします。土に埋めたり、醗酵(腐敗?)させることも行われました。画期的だったのは蒸留の技術で、アランビークと呼ばれる蒸留器を用いて有機物の溶液から揮発性の高いアルコール類(いずれも匂いの素)が取り出されました。
さまざまな化学反応を整理する上で重要な発見は、酸と金属を混合すると水素が発生する反応です。発生する気体が呼吸している空気とは異なることから、水素と命名されました。この反応は中学の理科でも有名です。これを契機に18世紀後半には窒素、酸素などの次々と気体が発見されました。さらに、その反応を観察すると、反応する物質の重さ、できた物質の重さを数学的に解析すること(定量的な解析)で、化学反応に一定の比例規則があることが明らかになりました。ラボアジエはこの法則を質量保存の法則として、また、ドルトンは根源物質をイメージして元素、原子、分子の概念を整理しました。
+++ 太陽の最期 +++
太陽の場合、質量から判断すると、ケイ素の芯ができたあたりで核反応が止まると考えられています。芯が収縮しても次の核反応を起こすだけの条件にならないのです。新しい核反応が始まるとき、恒星外層部のガスは急激に膨張します。そして一部は、そのまま宇宙空間へ放出されます。ガスが内側の恒星の光に照らされて美しいリング状の星雲に見えます。しかし、そのガスが通過するとき、惑星の運命はどうなるのでしょう。太陽も、数十億年後にはガスを放出してリング星雲をつくり、最後に残った芯は白色わい星になります。50億年後とされています。
+++ 宇宙最大のダイアモンド +++
太陽より少し小さな恒星はさらに小さな原子番号の原子核までしか核反応が進まず、その元素を主成分とした核を持つ白色わい星になります。炭素程度までしか核反応が進まない小さな恒星は、白色わい星になるころには大量の炭素が高圧高温で圧縮されることになります。これが冷えると、巨大なダイヤモンドができあがります。人類の知る一番大きなダイヤモンドは、地球からおよそ50光年かなたのケンタウルス座にあります。直径は4,000km。炭素でできた核の周りに水素とヘリウムの薄い層がある白色わい星です。星の振動のようすを調べることによって、内部に炭素の結晶があることがわかりました。さて、値段はいくらになるでしょうか。
つづく
