原子核の結合エネルギーは取り出せるのか？核分裂で莫大なエネルギーが生まれる仕組みを解説

物質を構成する原子の中心には原子核があり、その内部には陽子や中性子が強い力で結びついて存在しています。この結びつきには非常に大きなエネルギーが関係しており、核分裂によってその一部を取り出すことができます。

では、原子核を人工的に完全にバラバラにすることができれば、さらに大きなエネルギーを得られるのでしょうか。この記事では、原子核の結合エネルギー、核分裂で放出されるエネルギー、そしてなぜすべての物質から簡単にエネルギーを取り出せないのかを解説します。

原子核の中にはどのようなエネルギーが存在しているのか

原子核の内部では、陽子と中性子が「強い核力」と呼ばれる非常に強い力によって結びついています。この力は電磁気力よりもはるかに強く、原子核を安定して維持する役割を持っています。

この結びつきによって生じるエネルギーは「結合エネルギー」と呼ばれます。原子核を構成する粒子を完全に分離するには、この結合エネルギーに相当するエネルギーを外部から与える必要があります。

つまり、原子核には確かに大きなエネルギーが蓄えられていますが、それを取り出すには核の状態を変化させる必要があります。

ウラン235やプルトニウム239は、比較的大きな原子核を持つ元素です。これらの原子核は、中性子を吸収すると不安定になり、より小さな原子核へ分裂することがあります。

核分裂では、分裂前の原子核の質量と、分裂後にできた原子核や放出された中性子の質量を比較すると、わずかな質量が失われます。この失われた質量がアインシュタインの有名な式「E=mc²」によってエネルギーへ変換されます。

この質量の減少は非常に小さいものですが、光速の二乗という巨大な値を掛け合わせるため、大きなエネルギーになります。

理論上、原子核を構成する粒子を完全に分離するためには、大きな結合エネルギーが必要になります。そのため、原子核を壊すこと自体はエネルギーを生み出すどころか、外部からエネルギーを投入する必要があります。

重要なのは、核分裂では単純に原子核を壊しているのではなく、より安定した状態へ移行する過程で余分なエネルギーが放出されているという点です。

例えば、鉄のような中程度の重さの原子核は非常に安定しており、これを核分裂させてもエネルギーを取り出すことはできません。むしろエネルギーを加える必要があります。

仮に、どんな物質の原子核でも簡単にバラバラにできる技術が存在したとしても、それだけではエネルギーを取り出せるとは限りません。

原子核の状態には、より高いエネルギー状態と低いエネルギー状態があります。エネルギーを得るには、原子核が高い状態から低い状態へ変化する必要があります。

例えるなら、山の頂上にある石が転がり落ちるときにはエネルギーを得られますが、平地にある石をさらに砕くだけではエネルギーを得られないのと似ています。

核分裂とは反対に、軽い原子核同士を結合させる核融合でも大きなエネルギーが発生します。

太陽では、水素の原子核が融合してヘリウムになる過程で質量が減少し、その差がエネルギーとして放出されています。

核分裂は重い原子核がより安定した小さな原子核へ変化することでエネルギーを放出し、核融合は軽い原子核がより安定した状態へ結合することでエネルギーを放出するという違いがあります。

原子核の内部には強い結合エネルギーが存在しており、核分裂や核融合によってその一部を取り出すことが可能です。

しかし、単純に原子核をバラバラにするだけではエネルギーを得られません。エネルギーを放出するのは、原子核がより安定した状態へ変化するときです。

ウラン235やプルトニウムの核分裂で莫大なエネルギーが得られるのは、原子核を壊しているからではなく、核分裂後の状態が元の状態よりも低いエネルギー状態になるためなのです。