光崩壊

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光崩壊 (: Photodisintegration) は非常に高エネルギーのガンマ線原子核に作用することによって原子が崩壊する過程のこと。高エネルギーのガンマ線は光子ともよばれ、ここから光崩壊と呼ばれ、光壊変光分解ともよばれる。原子がガンマ線を受けることで励起状態になることが原因であり、原子を構成する陽子や中性子を放出することで即座に崩壊する。原子の中に侵入したガンマ線によって一粒の陽子中性子が効果的に叩きだされる。

この過程は本質的には軽い元素が高温で融合して重い元素を生成し、エネルギーを解放する核融合とは逆の過程である。光崩壊は原子核がより軽い時は吸熱性であり、原子核が鉄より重い時には放熱を行う。光崩壊は少なくとも超新星で起きるp過程を通して生成される重く陽子に富んだ元素の一部を合成する原因である。

光崩壊反応[編集]

重水素が光崩壊によって崩壊する形式は以下のように記すことができる。


{}^{2}_{1}\hbox{D}\;+\gamma\;\to\;{}^{1}_{1}\hbox{H}\;+\hbox{n}\;

この式では重水素(D)にガンマ線があたることで重水素が崩壊し、軽水素中性子に分裂している。

この反応は陽子と中性子の質量の違いを測定するために、ジェームズ・チャドウィックモーリス・ゴールドハバーに利用された[1]。この実験によってアーネスト・ラザフォードが予測したように、中性子が陽子と電子の束縛系ではないことを証明した[2]

より重い原子による反応ではネオン燃焼の際のネオンが以下の壊変を遂げる。


{}^{20}_{}\hbox{Ne}\;+\gamma\;\to\;{}^{16}_{}\hbox{O}\;+{}^{4}_{}\hbox{He}\;

また、珪素燃焼の際には高温高圧下で以下の反応が起こる。


{}^{28}_{}\hbox{Si}\;+\gamma\;\to\;{}^{27}_{}\hbox{Al}\;+\hbox{p}\;


{}^{28}_{}\hbox{Si}\;+\gamma\;\to\;{}^{24}_{}\hbox{Mg}\;+{}^{4}_{}\hbox{He}\;

マグネシウムはさらに分解される可能性を持つ。

天文物理学者によって92Moや144Smの光崩壊の例も研究されている[3]

超新星、極超新星[編集]

超新星の際、星がその命運の終わりに着くと、500億度を超える高温高圧を保つ恒星の中心では黒体輻射による光により鉄の光崩壊が起こる。鉄はその多くがヘリウムと中性子に分解される。


{}^{56}_{}\hbox{Fe}\;+\gamma\;\to\;{13}^{4}_{}\hbox{He}\;+{4}^{}_{}\hbox{n}\;

また、同時に電子捕獲も行われ、陽子が中性子に変化する。これらの結果、恒星の中心部は最終的に中性子の塊に変化していく。中性子の芯は冷え始め、中心部から外へ向かう圧力が減少し、収縮し始める。そこに重力によって外部の鉄原子がなだれ込み、中心の芯と衝突する。このとき衝撃波が発生し、衝撃波は冷えた中性子の核から発せられるニュートリノで増幅され、これによって恒星は爆散する。

太陽の250倍よりも大きい恒星の場合、その最期である極超新星爆発において、光崩壊はより重要な要因となる。鉄以上の重さを持つ原子の光崩壊ではエネルギーが大きく吸収される。恒星の最終段階では光崩壊による吸熱が星の核の温度と圧力を低下させる程に大きくなる。これによって光崩壊で奪われたエネルギーの代償として核の崩壊の始まりが引き起こされ、重力崩壊する核はブラックホールの誕生を導く。

光核分裂[編集]

光核分裂はこの過程に非常に似ている。しかし、若干の相違がある。光核分裂では、元素がガンマ線を吸収した後、核が核分裂を経て重さの近しい二つに分裂する。とても高いエネルギーのガンマ線は錫より軽い元素の核分裂を誘発する。

参照[編集]

  1. ^ James Chadwick and Maurice Goldhaber, "A nuclear 'photo-effect': disintegration of the diplon by \gamma rays", Nature,134, 237-38 (1934).
  2. ^ Derek Livesy,Atomic and Nuclear Physics, Blaisdell Publishing Company, Waltham, Mass. 1996, p. 347
  3. ^ C. Nair, et al; Photodisintegration studies on p-nuclei: the case of Mo and Sm isotopes; 2008 J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 35 014036 (6pp) doi: 10.1088/0954-3899/35/1/014036

関連項目[編集]