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水素

水素(H)

水素(hydrogen)は原子番号が“1”、原子量が“1.00794”、元素記号が“H”の元素である。水素の語源はギリシア語の“hydro(水)+genao(発生する)”であり、元々、水の構成要素として考えられていた。水素(H)は陽子1個と電子1個からなる最も基本的な原子でできた非金属元素であり、元素(ガス状分子)の中で最も軽くて、宇宙で最も量が多いという特徴を持っている。地球上では、水や有機化合物の構成要素として存在しており、一般に水素の単体である水素ガス(水素分子)である“H2”のことを指すことが多い。

水素は非金属元素だが、ガス惑星の内部など非常に高い圧力下では性質が変化して『液状金属』になると予測されており、液状金属となった水素には『室温超伝導』の可能性が指摘されて、現在の人類の技術力では金属化した水素を作ることは不可能だが、ある種の夢の素材ではある。

水素は“ダークマター(暗黒物質)・ダークエネルギー(暗黒エネルギー)”を除けば、宇宙で最も質量の多い元素で、宇宙の全質量の3/4を占めている。総量数比では全原子の90%以上にもなると言われるが、水素の多くは星間ガスや銀河間ガス、恒星・木星型惑星の構成物として存在しており、地球表面の元素数に限っては酸素・珪素に続いて三番目に多い元素になっている。

宇宙は最初の大爆発によって発生したとする『ビッグバン仮説』によると、約150億~160億年前にビッグバンが起こって、その1万分の1秒後に水素原子核となる陽子ができたと理論的に推測されている。ビッグバンの発生直後はまだ約1000億度の超高熱状態であり、水素原子はその超高熱状態下で電子を奪い取られてただの陽子としてのみ存在していたのではないかと考えられているのである。

その後、宇宙は少しずつ冷えていき、30~70万年くらいの時間が経ってから、陽子と電子が結合できるような環境(温度が数千度の環境)が生まれて、宇宙で最初の原子となる『水素原子』が発生した。宇宙空間が冷えて陽子と電子が結合しやすくなり、光が“プラズマ状態(陽子と電子がバラバラになっている状態)”に邪魔されずに宇宙空間を直進できるようになったことを『宇宙の晴れ上がり』と呼んでおり、ビッグバンから約数十万年後にこの宇宙の晴れ上がりが起こって水素原子が生まれたのである。

ビッグバンから数十億年の時間が経過してから、『原始地球』が誕生したと推測されているが、その時期の地球上に大量にあった水素の大部分は、重さが軽いために宇宙に放出されたと考えられている。しかし、地球の内部にある核(コア)は、鉄とニッケルの合金で出来ているとされているが、そこには炭素・ケイ素・酸素以外にも原始地球にあった水素が溶け込んでいるのではないかという合理的推測(奥地拓生の仮説)も出されている。




北大、宇宙における水素分子生成過程を解明

宇宙の真空中(気相)で2つの水素原子(H)が結びつく反応は極めて起こりにくく、宇宙に存在する塵(星間塵)表面でH原子同士が結合する反応が不可欠であると考えられていたが、その生成過程の全容は謎となっていた。

極低温の暗黒星雲を再現できる超高真空実験装置を開発、その中に擬似的な氷星間塵表面(アモルファス氷表面)を作製。同表面に低温に冷却したごく微量のH原子を照射し、H原子の表面への吸着からH2分子生成までの、すべての振る舞いをレーザーを用いた共鳴多光子イオン化法によりモニタした。

結果、H原子の一部は氷表面にトラップされる一方、多くのH原子は10Kの極低温にもかかわらず、表面を動き回って他のH原子と結合してH2分子を生成することが判明した。








「夢のエネルギー」核融合は実現目前?

水素燃料を詰め込んだごく小さなカプセルに超強力なレーザーを照射し、超高温で原子核と電子がバラバラに飛び交う「プラズマ」を発生させる。こうして太陽など恒星の中心で起きているのと同じような状態──つまり、核融合を引き起こし、膨大なエネルギーを取り出そうというわけだ。うまくいけば1トン前後の水でサンフランシスコくらいの都市が1年間に消費する電力を生み出せるという。

いったん点火にたどり着けば、エネルギーを電力に換えるのはそう難しくないだろうとモーゼスは言う。核融合で発生した中性子は、周囲を覆うリチウムの層に飛び込む。するとリチウムの温度が上昇するので、この熱で水を蒸気にしてタービンを回せば電気の出来上がりだ。





原子核融合

核分裂反応に比べて、反応を起こすために必要な温度・圧力が高いため技術的ハードルが高く、現在のところ、水素爆弾は核分裂反応を利用して起爆する必要があり、核融合炉は高温高圧の反応プラズマを封じ込める技術開発が困難を極めている。


D-T反応
核融合反応の中でもっとも反応させやすいのが、重水素(D)と三重水素(トリチウム、T)を用いた反応である。これは過去には水素爆弾に利用され、現在でも、もっとも実現可能性の高い核融合炉の反応に用いられている。

D-D反応
収縮しつつある原始星の中心温度が約250万 Kを超えると、初めて核融合が起こる。最初に起こるのは、比較的起こりやすい、2つの重水素(D) が反応する重水素核融合(工学ではD-D反応と呼ぶことも多い)である。重水素核融合を起こした天体を褐色矮星と呼ぶ。
中心の温度が約1,000万Kを超えると(ちなみに太陽の中心は1,500万K)、以下に述べるような水素核融合を起こし、恒星と呼ばれる。

陽子-陽子連鎖反応
次の、軽水素(陽子、p)どうしが直接反応する水素核融合を、陽子-陽子連鎖反応、p-pチェインなどと呼ぶ。太陽で主に起こっている核融合反応である。

CNOサイクル
次の、炭素(C)・窒素(N)・酸素(O) を触媒とした水素核融合を、CNOサイクルと呼ぶ。星の中心温度が約2,000万Kを超えると、p-pチェインよりCNOサイクルのほうが優勢になる。

ヘリウム燃焼
恒星の中心核に充分な量のヘリウムが蓄積された場合に起こる反応。水素原子核の核融合の後に残ったヘリウムは恒星の中心に沈殿し、重力により収縮して中心核の温度が上がる。約1億K程度になると3つのヘリウム原子核がトリプルアルファ反応を起こし、炭素が生成され始める。
ヘリウム中心核からの熱により核の周辺部では水素の核融合が継続する。

炭素より重い元素の燃焼
中心温度が15億 Kを超えると、炭素も核融合を始める(炭素燃焼過程)。さらに恒星が十分な質量を持っていれば、ネオン燃焼過程、酸素燃焼過程、ケイ素燃焼過程を経て安定した鉄56(最も安定な核種はニッケル62。詳細は鉄参照)が作られ、中心での核融合反応は終了する。星は内側から、鉄の核、ケイ素の球殻、酸素の球殻、ネオンの球殻、炭素の球殻、ヘリウムの球殻、水素の最外層からなる、タマネギ状の構造になり、中心以外の各層で核融合が進行する。

超新星爆発
中心温度が100億 Kを超えると、黒体放射の光子のエネルギーが核子の結合エネルギーと同程度になるため、鉄の光分解が起こる。
この吸熱反応により中心の温度が下がり、それにより圧力も下がる。圧力が下がると星は収縮するが、収縮により温度が上がって光分解が進む。 繰り返されるこの過程により恒星は重力崩壊する。 中心部に物質が落下し、原子核に電子が取り込まれて陽子がニュートリノを放出して中性子が出来る。 中心に中性子の塊が出来、自身の縮退圧で支えられるようになると、外層から落下してきた物体は中性子の塊の表面で跳ね返され、超新星爆発を起こす。鉄より重い元素は、超新星爆発のときの核融合で作られる。
なお、この時に残った中性子の塊は中性子星となる。もし中性子の塊が自身の縮退圧で支えられない状況になると、ブラックホールになる。




ノート:褐色矮星

温度の比較
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