核分裂(かくぶんれつ)反応(はんのう)・核(かく)融合(ゆうごう)反応(はんのう)と質量(しつりょう)とエネルギー

ウラン235のような重(おも)い原子核(げんしかく)に中性子(ちゅうせいし)が1個(こ)当(あ)たると、原子核(げんしかく)は2つの原子核(げんしかく)に分(わ)かれ、同時(どうじ)に新(あたら)しい中性子(ちゅうせいし)が2〜3個(こ)飛(と)び出(だ)す。これを核分裂(かくぶんれつ)反応(はんのう)という。飛(と)び出(だ)した中性子(ちゅうせいし)が別(べつ)のウラン235に当(あ)たれば、さらに核分裂(かくぶんれつ)が起(お)こる。これが次々(つぎつぎ)と続(つづ)く連鎖(れんさ)反応(はんのう)で、原子力(げんしりょく)発電所(はつでんしょ)では、この連鎖(れんさ)反応(はんのう)が一定(いってい)の割合(わりあい)で続(つづ)く状態(じょうたい)（臨界(りんかい)）を保(たも)つように制御(せいぎょ)している。

逆(ぎゃく)に、水素(すいそ)のように軽(かる)い原子核(げんしかく)が結合(けつごう)して、より重(おも)い原子核(げんしかく)（ヘリウムなど）になる反応(はんのう)を核(かく)融合(ゆうごう)反応(はんのう)という。太陽(たいよう)をはじめとする恒星(こうせい)のエネルギーは、水素(すいそ)がヘリウムに変(か)わる核(かく)融合(ゆうごう)反応(はんのう)から生(う)まれている。

核分裂(かくぶんれつ)反応(はんのう)・核(かく)融合(ゆうごう)反応(はんのう)のどちらも、反応(はんのう)の前後(ぜんご)で原子核(げんしかく)の質量(しつりょう)をくわしく比(くら)べると、わずかに質量(しつりょう)が減(へ)っている。この減(へ)った質量(しつりょう)を質量(しつりょう)欠損(けっそん)という。アインシュタインが示(しめ)した質量(しつりょう)とエネルギーの等価(とうか)性(せい)$E=mc^2$（$c$は光速(こうそく)、約(やく)3.0×10⁸m/s）により、質量(しつりょう)欠損(けっそん)$m$はすべて莫大(ばくだい)なエネルギー$E$に変(か)わる。$E=mc^2$を使(つか)った計算(けいさん)は、高校(こうこう)の「物理(ぶつり)」で詳(くわ)しく学(まな)ぶ発展(はってん)的(てき)な内容(ないよう)である。

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例題(れいだい)1：ある核分裂(かくぶんれつ)反応(はんのう)で、質量(しつりょう)欠損(けっそん)が$2.0\times10^{-4}$kgだった。発生(はっせい)（新しいタブで開きます）するエネルギーは$E=mc^2=2.0\times10^{-4}\times(3.0\times10^8)^2=2.0\times10^{-4}\times9.0\times10^{16}=$1.8×10¹³J。

例題(れいだい)2：質量(しつりょう)欠損(けっそん)が$1.0\times10^{-6}$kg（1mg）のとき、$E=1.0\times10^{-6}\times9.0\times10^{16}=$9.0×10¹⁰J。これは一般(いっぱん)的(てき)な家庭(かてい)の1年分(ねんぶん)の電力(でんりょく)（新しいタブで開きます）使用(しよう)量(りょう)を大(おお)きく上回(うわまわ)るエネルギーで、ごくわずかな質量(しつりょう)欠損(けっそん)でも莫大(ばくだい)なエネルギーになることが分(わ)かる。

例題(れいだい)3：質量(しつりょう)欠損(けっそん)が$5.0\times10^{-5}$kgのとき、$E=5.0\times10^{-5}\times9.0\times10^{16}=$4.5×10¹²J。

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$E=mc^2$の$c^2$は$9.0\times10^{16}$という非常(ひじょう)に大(おお)きな数(かず)である。だから、ほんの少(すこ)しの質量(しつりょう)欠損(けっそん)$m$でも、それに$c^2$をかけたエネルギー$E$は莫大(ばくだい)な値(ね)になる。これが、少量(しょうりょう)の核(かく)燃料(ねんりょう)から大(おお)きなエネルギーを取(と)り出(だ)せる理由(りゆう)である。

化石(かせき)（新しいタブで開きます）燃料(ねんりょう)を燃(も)やす化学(かがく)反応(はんのう)でも質量(しつりょう)はわずかに減(へ)っているが、その減(へ)り方(かた)は核分裂(かくぶんれつ)・核(かく)融合(ゆうごう)に比(くら)べてはるかに小(ちい)さい。核(かく)エネルギー（新しいタブで開きます）は、同(おな)じ質量(しつりょう)の燃料(ねんりょう)から取(と)り出(だ)せるエネルギーが化学(かがく)エネルギーよりずっと大(おお)きい。

核分裂(かくぶんれつ)反応(はんのう)は人工(じんこう)的(てき)に核(かく)燃料(ねんりょう)を用意(ようい)して連鎖(れんさ)反応(はんのう)を起(お)こすのに対(たい)し、核(かく)融合(ゆうごう)反応(はんのう)は太陽(たいよう)の内部(ないぶ)のような超(ちょう)高温(こうおん)・高圧(こうあつ)の環境(かんきょう)で自然(しぜん)に起(お)こる。地球上(ちきゅうじょう)で核(かく)融合(ゆうごう)発電(はつでん)を実用(じつよう)化(か)するには、太陽(たいよう)のような環境(かんきょう)を人工(じんこう)的(てき)に作(つく)り出(だ)す必要(ひつよう)があり、研究(けんきゅう)が続(つづ)けられている。