実際の物理学用語：原子爆弾は原子とは何の関係もなく、水素爆弾は水素とはほとんど関係がありません

科学研究において、科学者は新しい自然現象を発見したり、新しい科学的概念を提案したりするたびに、その現象に名前を付ける固有名詞を作成します。適切な名前が付けられていれば、複雑な現象や難しい概念も直感的でわかりやすい名前として記憶に残り、あるいは魅力的で人々の好奇心や探求心を刺激するでしょう。名前が良くないと、誤解されたり、読む気が失せたりする可能性があります。このシリーズの記事では、物理学におけるいくつかの重要な用語を簡単に取り上げ、その意味を注意深く研究し、その背後にある深遠な物理的意味を探ります。

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このコラムには以下の記事が掲載されています:

1. 物理学用語の本当の意味を理解する: 力と場の概念

著者：Chen Shaohao （マサチューセッツ工科大学、米国）

映画「オッペンハイマー」の人気により、原爆に対する世間の注目が再び集まった。マンハッタン計画のリーダーとして、オッペンハイマーは人類史上初の原子爆弾の誕生に重要な役割を果たし、「原子爆弾の父」として知られていました。

1905年にアインシュタインが質量とエネルギーの方程式を書いて以来、物理学者は原子の小さな核に膨大な量のエネルギーが蓄えられていることを知っていました。科学的概念の誕生から実際の応用に至るまで、数え切れないほどの工学的および技術的な困難を克服する必要があります。もしナチスドイツに対抗する目的がなかったら、アメリカは国力を尽くして原子爆弾を製造するマンハッタン計画を開始することはなかっただろう。強力な核兵器は誕生以来、人類の歴史の流れを完全に変え、人類社会に多大な衝撃と影響をもたらしてきました。

大衆メディアでは、核兵器に関する記述の多くは曖昧であり、一般的に使用されている用語の中には、その背後にある真の物理的意味を十分かつ正確に表現していないものもあります。現在、世界の多くの核保有国は核兵器技術を最高国家機密とみなしており、核兵器製造の技術的詳細は公表されにくい状況にある。これが、核兵器に関する用語が曖昧になる理由の一つです。核兵器の技術的な詳細は国家機密であるが、その基本的な物理的原理は完全に公表されている。学問の世界では、核兵器の物理学についてはほとんど秘密がない。この記事では、物理学の原理から始めて、核兵器に関連するいくつかの用語を分析し、それらの背後にある物理学を調べます。

原子爆弾は原子とは何の関係もない

核兵器に関して言えば、一般の人々がもっともよく知っているのは原子爆弾です。現代社会では、ほぼすべての人が少なくとも原子爆弾について聞いたことがあるでしょう。しかし、科学的な観点から見ると、「原子爆弾」という用語自体は非常に不正確です。原子爆弾は実際には原子とは何の関係もありませんが、原子核と密接な関係があります。

原子の中心は原子核であり、電子は原子核の周りに分布しています。原子物理学の研究対象は原子内の電子であり、原子核の役割は電子に外部電場を提供することだけです。原子核の内部構造を研究することを原子核物理学といいます。原子爆弾の爆発エネルギーは、すべて原子核内の核分裂から生じるため、原子爆弾のより正確な名前は、核爆弾の一種である核分裂爆弾であるべきです。

原子爆弾は完全に核分裂に基づいているため、実際には純粋核分裂兵器と呼ばれる科学的な名前が付けられています。第二次世界大戦の終わりに、アメリカが日本の広島と長崎に投下した2つの原子爆弾は、どちらも純粋な核分裂核兵器でした。

原子爆弾に使用される核爆弾はウラン 235 (U-235) またはプルトニウム 239 (Pu-239) です。ウランとプルトニウムはどちらも元素の名前で、それぞれ英語の Uranium と Plutonium から翻訳されたものです。金属元素の中国語名では、一般的に部首に「金」という文字が付きます。周期表には90種類以上の金属元素が載っています。これらすべてを、部首に「金」という文字があり、英語と多少同音異義である漢字で名付けるのは簡単ではありません。そういえば、これは明朝の初代皇帝である朱元璋にも関係があります。朱元璋は、子孫の名前の3番目の文字は「五行」を部首とする文字、つまり「火、土、金、水、木」のいずれかにしなければならないという遺言を残しました。その結果、200年以上続いた明王朝の王室は、「金」の字を横につけた漢字を数多く作りました。これらの文字自体には意味がないものが多々ありましたが、意外にも近代になって金属元素の命名に使われるようになりました。

ウラン235とプルトニウム239の場合、末尾の数字「235」と「239」は元素の質量数です。原子核は中性子と陽子で構成されており、陽子と中性子の数の合計が質量数です。一般的に、同じ元素には多くの異なる同位体が存在します。同位体は陽子の数は同じですが、中性子の数が異なり、したがって質量数も異なります。たとえば、ウラン元素には 92 個の陽子があり、その 2 つの一般的な同位体の質量数は 235 と 238 であるため、これらはウラン 235 とウラン 238 と呼ばれます。

ウラン235とプルトニウム239はどちらも中性子の当たると核分裂を起こす核分裂性物質です。核分裂は、重い原子核が 2 つの軽い原子核に分裂するときに発生し、質量損失によってエネルギーが放出されます。アインシュタインの質量エネルギー方程式 E=mc^2 は、微小粒子のエネルギーは静止質量に光速の 2 乗を掛けたものに等しいことを意味します。光の速度は非常に速いため、わずかな質量損失でも大量のエネルギーを生み出すことができます。ここから原子爆弾のエネルギーが生まれます。

重い原子核の核分裂プロセスでも中性子が生成されます。新たに生成された中性子は近くのウラン原子核に衝突して同様に核分裂を引き起こし、核分裂を起こす原子核の数は指数関数的に増加します。これは核連鎖反応として知られています。わずか 1 マイクロ秒の間に、核分裂を起こす原子核の数は 100 倍に増加する可能性があります。連鎖反応により、爆発に必要なエネルギーが短時間で放出される可能性があります。都市を破壊するのに十分なエネルギーを放出するには、わずか数キログラムの核分裂物質しか必要ありません。

図 1: 原子爆弾で起こる連鎖反応。ウラン 235 の原子核は中性子に当たると核分裂を起こし、2 つの小さな原子核と 1 つの中性子を生成します。新しく生成された中性子は他のウラン235の原子核と衝突し、さらに核分裂を引き起こします。 |画像出典: www.nuclear-power.com

原子爆弾を爆発させる鍵は、核分裂性物質を圧縮して、連鎖反応を起こすのに必要な臨界質量に達することです。既存の原子爆弾を爆発させる方法は2つあります。一つ目は銃の種類です。この方法は、標的に弾丸を撃つようなもので、従来の爆薬の爆発の推力を利用して、核分裂物質の一部を核分裂物質の別の部分に向かって高速で発射し、核分裂物質が緊密に結合されて臨界質量に達するようにします。 2番目のタイプは爆縮型です。この方式では、従来の爆発物が外側にあり、核分裂性物質が内側にあります。従来の爆発物が爆発すると、核分裂性物質を圧迫する内向きの圧力が生じ、臨界質量に達します。

核分裂によって放出される熱により核分裂性物質が膨張し、ウラン原子がさらに離れることになります。核反応の断面積は距離が増すにつれて急速に減少するため、新たに生成された中性子がウラン原子と衝突する確率は大幅に減少し、連鎖反応が停止します。原子爆弾の設計における鍵の一つは、核分裂性物質ができるだけ長期間拡散しないようにして、最大限に活用できるようにすることである。上で述べた原子核の断面積は、反応が起こる確率を測定するために使用される物理量であり、面積の次元を持ちます。

水素爆弾は水素とはほとんど関係がない

水素爆弾は原子爆弾よりも強力な核兵器です。水素爆弾の破壊力が強大であったため、原子爆弾の父オッペンハイマーは人道的配慮から米国政府による水素爆弾の製造に抵抗したが、機密保持権限が取り消され、政治家としてのキャリアに終止符が打たれた。映画「オッペンハイマー」では、セキュリティクリアランス聴聞会の詳細なプロセスが長い時間をかけて描写されています。オッペンハイマーやアインシュタインなどの有名な科学者の反対にもかかわらず、水素爆弾の開発は阻止されなかった。水素爆弾は、原子爆弾が作られてから数年後の1951年に開発されました。

水素爆弾の設計は、核融合によって生成されるエネルギーを巧みに利用しています。核融合のプロセスは、2 つの軽い原子核が融合してより重い原子核を形成する核分裂の逆です。水素爆弾で使用される核融合プロセスは次のとおりです。重水素原子核が三重水素原子核と融合してヘリウム原子核と中性子を生成します。

図 2: 重水素と三重水素の原子核が融合してヘリウムの原子核と中性子が生成され、エネルギーが放出されます |出典: ウィキ

重水素と三重水素はどちらも水素の同位体です。水素と同様に、重水素と三重水素は原子核内に陽子を持ち、原子核の外側に電子を持っています。元素の化学的性質は原子核の外側の電子によって完全に決定されるため、水素、重水素、三重水素の 3 つの同位体の化学的性質はまったく同じであり、それらの元素はすべて気体です。違いは中性子の数と質量数です。水素、重水素、三重水素の原子核の質量数はそれぞれ 1、2、3 です。重水素は英語では Deuterium で、ギリシャ語で「2番目」を意味します。トリチウムの英語名は Tritium で、ギリシャ語で「3 番目」を意味します。重水素（発音は「Dao」）とトリチウム（発音は「Chuan」）は英語の同音異義語です。側面の「気」の文字は、その単一物質がガスであるという化学的性質を反映しています。下の2本と3本の線はそれぞれ質量数を表します。この二つの単語は、音訳と翻訳を組み合わせたモデルと言えます。

核融合の際には質量が失われます。質量-エネルギー方程式によれば、失われた質量はエネルギーに変換されます。太陽内部では毎瞬膨大な量の核融合反応が起きており、その核融合エネルギーは電磁波の形で外部に放射されています。電磁波（可視光線を含む）の一部は地球に伝わり、地球上のほぼすべてのエネルギーの源となります。

核分裂と比較すると、核融合は物質の単位質量あたりにより多くのエネルギーを生み出します。注目すべきは、これが水素爆弾が原子爆弾よりも強力である理由ではないということだ。核融合エネルギーをフルに活用する核兵器は純粋核融合兵器と呼ばれます。それらは理論上のみ存在し、現実には製造されていません。現在の水素爆弾は核融合を利用しています。しかし、核融合の主な機能は新しい中性子を生成し、それによってより多くの核分裂物質が核分裂を起こし、より大きな核分裂エネルギーを生み出すことです。水素爆弾の主なエネルギーは依然として核分裂から得られ、水素同位体の核融合によって生成されるエネルギーは基本的に無視できるほど小さい。この観点から見ると、水素爆弾は水素同位体とほとんど関係がないので、水素爆弾という名前は厳密ではありません。核融合には非常に高い温度が必要なので、水素爆弾のより専門的な用語は「熱核爆弾」です。

水素爆弾には主に2つの設計があります。 1つ目は、核融合強化型核分裂核兵器（ブースト核分裂兵器）です。これは爆縮型原子爆弾の改良版です。原子爆弾が爆発すると、核分裂物質が吹き飛んで連鎖反応が止まり、多くの核分裂物質が使われなくなります。核分裂性物質であるウランの中心部には重水素と三重水素が大量に注入されており、爆発によって発生した高温により重水素と三重水素が核融合反応を起こす可能性があります。核融合によって生成された中性子は周囲の核分裂性物質と衝突し、新たな核分裂の連鎖反応を引き起こします。これにより、核分裂性物質がより効率的に使用され、最終的には元の量の 2 倍以上のエネルギーが放出されます。この設計では、核分裂物質であるウランと核融合物質である水素の両方の同位体を使用しているため、「ウラン水素化物爆弾」とも呼ばれています。

2 番目の方式は Teller と Ulam によって提案されたため、Teller-Ulam 方式とも呼ばれます。テラーは水素爆弾の父と考えられている。映画『オッペンハイマー』では、テラーは悪役を演じ、公聴会でオッペンハイマーに対して証言する。

このように設計された水素爆弾は、段階的熱核兵器とも呼ばれます。これらは、前述の 2 つの核融合強化核分裂核爆弾で構成されており、1 つは一次核爆弾、もう 1 つは二次核爆弾と呼ばれます。第一段階では、通常の爆発によって主核爆弾が爆発します。第二段階では、主核爆弾の爆発によって発生した高エネルギーX線が副核爆弾を爆発させます。このプロセスは放射爆縮と呼ばれ、第一段階よりも効率的で、一次核爆弾よりもはるかに多くのエネルギーを放出します。このソリューションは、核融合強化核分裂と核分裂強化核融合の技術を組み合わせ、エネルギーをより完全に放出できるようにします。

著者について

シャオハオ・チェンは、清華大学で物理学の学士号と原子分子物理学の博士号を取得しています。彼はコロラド大学ボルダー校の博士研究員であり、ルイジアナ州立大学とボストン大学で勤務した経験があります。彼は現在マサチューセッツ工科大学で高性能コンピューティングに携わっています。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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