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zoom RSS SFの世界の存在かと思ったら、反物質はすでに人工合成されているの?

<<   作成日時 : 2017/02/28 07:33   >>

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★科学★
問題:反物質という言葉を聞いたことがあると思います。物質と似ていますが、電荷とか粒子の回転の向きが逆なものを指すらしい。たとえば陽子は電荷がプラスですが、反陽子はマイナスだそうです。「陰子」なんですね。電子は電荷がマイナスですが、反電子はプラスだそうです。陽子と反陽子、電子と反電子は、質量はまったく変わらないらしい。素粒子であるニュートリノは電気は帯びていないようですが、反ニュートリノは粒子の自転方向が逆になっているそうです*1。
■厳密には次のような定義が挙げられています。「プラス・マイナスがある、飛び飛びの値をとるもの(加算的量子数)について、物質とプラス・マイナスが反対」であり、「質量や寿命などそのほかは物質と同じであるもの」*1。素人にはなんのことやらさっぱりわかりませんが、専門家はこれで納得しているらしい。
■SFの世界では、昔から知られていたようです。たとえば「スタートレックシリーズ」に登場する宇宙船は、反物質と物質が対消滅(ツイショウメツ)する際のエネルギーを利用して航行しているらしい。「ダヴィンチ・コード」の続編、「天使と悪魔」では、CERN(セルン、欧州原子核研究機構)の加速器でつくられた反物質が盗まれ、ローマやバチカンが破滅の恐怖にさらされるというお話になっていました。
▼CERNの大型ハドロン衝突型加速器
◇*HP「大型ハドロン衝突型加速器 - Google 検索」(画像)
https://www.google.co.jp/search?q=%E5%A4%A7%E5%9E%8B%E3%83%8F%E3%83%89%E3%83%AD%E3%83%B3%E8%A1%9D%E7%AA%81%E5%9E%8B%E5%8A%A0%E9%80%9F%E5%99%A8&hl=ja&rlz=1T4GGHP_jaJP523JP523&biw=1280&bih=626&source=lnms&tbm=isch&sa=X&sqi=2&ved=0ahUKEwi3gefV6-bPAhUjj1QKHcDkAkAQ_AUIBigB
■対消滅というのは、反物質と物質が触れあって同量分だけ消滅し、そのすべてがエネルギーに変換されることだそうです。アインシュタインのE=mc^2という式と関係があるらしい。この式は、物理学者たちは「質量(m)はエネルギー(E)に変えることができる」と解釈するらしい。ちなみにcは光速を表わします。
■核分裂や核融合では、ある程度の物質が消えてその分がエネルギーに変わるそうです。質量の一部がエネルギーに変換されるらしい。それでも原子力発電所(核分裂の利用)や太陽(核融合で輝く)をみればわかるとおり、大きなエネルギーが得られます。質量の全部がエネルギーに変わる対消滅はそれよりもはるかに大きなエネルギーが得られるらしい。
■では対消滅ではどのぐらいのエネルギーが得られるのでしょうか? 一般の燃焼、たとえば1kgの石炭を燃やした場合は約3 ×10^7ジュールの熱エネルギーが放出されます。これを1とします。では、対消滅で得られるエネルギーにいちばん近い数値は次のどれでしょうか?
[い]10万
[ろ]250万
[は]2000万
[に]3億
[ほ]30億
(答えはずっと下↓ スクロールして下さい)

























★科学★
正解:[ほ]30億
説明:参考資料*1の記事によれば、対消滅では石炭の燃焼の約30億倍ものエネルギーが発生するそうです。
■反物質500gとふつうの物質500gが触れあうと、対消滅で1kgが消えます。生み出されるエネルギーはE=mc^2の式で計算できるらしい。約9×10^16ジュールのエネルギーが放出されるそうです。石炭の場合が約3 ×10^7ジュールの熱エネルギーですから、割ると3×10^9倍、30億倍になりますね。
■1kgの30億倍、30億kgは300万トンです。これだけの重さの石炭が一瞬で燃焼するのと同じぐらいのエネルギーが対消滅ではわずか1kgの「燃料」で発生するらしい。
■なお、1kgのウラン235の核分裂では1kgの石炭の場合の250万倍のエネルギーが発生し、太陽内部の核融合では1kgあたりでは2000万倍のエネルギーが発生しているそうです。
■ふつうに石炭を燃やすと、燃料の分子を二酸化炭素や水蒸気などの分子に変える反応が起きます。「原子をつなぎかえる反応」で原子同士がつながるエネルギーだけを取り出しているそうです。この場合には質量は変わりません(厳密にいえばごくわずかに減っているようですが)。おおざっぱにみれば反応前と反応後の「質量不変の法則」は生きているようです。
■核分裂では原子核が分裂し、別の元素の原子核に変わります。1kgのウラン235がすべて核分裂すると、約8×10^13ジュールのエネルギーが放出されるそうです。このとき、反応後は質量が約0.1%減っているらしい。
■太陽内部の核融合では、4つの水素原子の原子核が融合してヘリウムの原子核などになります。太陽の核融合反応では原子核が持つエネルギーの約0.7%が放出されるらしい。その分だけ、つまり約0.7%だけ質量は減ります。そのため、太陽は毎秒約427万トンずつ軽くなっているそうです。ものすごい減量に見えます。でも太陽全体の質量は約2×10^23万トンもあります。427万トンは実に微々たるものらしい。あと50億年は核融合反応おこして輝きつづけると計算できるそうです。なお、水素1kgあたり、6.5×10^14ジュールのエネルギーが放出されるそうです。
■対消滅のエネルギーはすさまじい。ごくわずかな反物質(=爆発物)で小さな国なら丸ごと吹っ飛んでしまうぐらいの大量破壊兵器になりそうです。ただし、現状ではそんな反物質を作れないらしい。大きなエネルギーを注ぎ込んで初めて反物質はできあがるようです。前述の映画「天使と悪魔」では0.25gの反物質が盗まれます。でもこのぐらいの量の反物質を作ろうとしたら、「1兆円の1億倍」ぐらいのエネルギー代がかかるらしい(電気を使ったとして換算)*1。きっとダイナマイトやC4(軍用プラスチック爆薬)のほうが安上がりでしょう。
■なお、反物質の人工合成はすでにできるそうです。たとえばつくば市の加速器の中では100兆個もの反電子がまわっているそうです。爆発の危険はないのかと素人は不安になります。でも爆発させるには、つくば市の加速器内でまわっている100兆個の反電子のさらに10兆倍ぐらいの量の反物質が必要らしい。技術面は知りませんが、経済面から見ると実現不可能のようです。反物質によるテロ、あるいは事故の危険は、少なくとも2017年現在ではほぼゼロと見ていいらしい。ちょっと安心ですね。
◆参考*1:雑誌「村山斉博士に聞く 反物質の謎」Newton (ニュートン) 2016年4月号36〜65頁、担当編集者市田朝子、ニュートンプレス
◇*2HP「反物質 - Wikipedia」
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E7%89%A9%E8%B3%AA

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