静岡サイエンスカフェ（平成28年9月29日）

第100話

天岸 祥光
1

「プラズマ物理学」は20世紀に生まれた新しい学問
・プラズマ物理学 20世紀中期ごろから急速に発展
その＜理由＞ 二つの「発見」① 宇宙の９０％以上がプラズマであることの発見！
② 夜空の星々（恒星）がプラズマを使って「核融合」を起こしていることの発見！
地球上に人工の太陽を！
2まず水（H2O）をイメージしてください
物質状態（相）？プラズマ
水蒸気（気体）

水（液体）
氷（固体）
低温度

高3

地球上のあらゆる物質は温度上昇に伴って「固体」→「液体」→「気体」→「プラズマ」と物理状態は変化する。
気圧によっては、途中を飛ばすことがある。
＜例＞
ドライアイス
1気圧の下では、固体から気体に代わる。
（昇華）4

物質の4状態
Solid (固体)
結晶状態

+ -

Liquid (液体)温度

原子++--+-+-Gas (気体)++

Plasma （プラズマ）5ギリシャの哲学者エンペドクレス（B.C.494頃～434頃）

土

水

空気

火

（現代物理学での物質の状態の分類は）

個体 液体

気体 プラズマ6

宇宙の９９．９９９９９・・・％は（ダークマター等は除く）

プラズマ状態7

プラズマの例（１）オーロラ (a) (b) (c)（２）太陽(a) (b) (c)（３）銀河・星雲(a) (b)（４）実験室プラズマ(a) (b)

8

(c)

地球のオーロラ

土星のオーロラ

南極のオーロラ

木星のオーロラ
ハッブル望遠鏡で撮影に成功
9（H28.7.1）

様々なプラズマ

10しかし、我々の住んでいる地球は・固体、液体、気体でできていて、プラズマ状態はほとんどない！

・上空電離層からプラズマ状態が現れ宇宙空間はプラズマ粒子で満ちている！
11

太陽表面から噴き出した太陽風は宇宙空間に流れ出し、地球磁場はその侵入を防いでいる。

太陽風とは：陽子と電子の流れ＝水素プラズマ
12アインシュタインの相対性理論（特殊相対性理論）• 質量はエネルギーに変換される！

2
E = ｍｃ（注：エネルギーは質量を持たない）

E ：（原子力）エネルギー
c:光速
ｍ：質量
13

エネルギーの発生方法は二通りある！
化学反応・原子の外殻電子の結合
・人間生活のほとんどのエネルギー源は化学反応

核反応

核分裂
核融合

どちらもE = ｍｃ2でエネルギーを発生

これを原子力エネルギーという。
14

原理は同じ（アインシュタインの相対性理論）

１）核分裂反応
原子力発電は、すべてこの反応を利用して、お湯を沸かし、その蒸気で発電タービンを回している（しかし、今回は、原発、原爆の詳しいこの話はしない）

２）核融合反応
我々の太陽は核融合で燃えている！
夜空に輝く星（恒星）は全て天然の核融合炉の炎！
15

その二つを核反応式で書くと天秤図へ

１）核分裂・・・・重い元素 ウラン （原爆、原発）
２
235
U ＋ｎ→（元素A＋B）＋m・C ＋(2~3)ｎ（中性子）
A、B：核分裂生成物（セシウム、ストロンチュウムウムなど）

放射性廃棄物、死の灰ともいう２）核融合・・・・軽い元素 水素（プラズマ状態）
２14（太陽） ４H → He ＋ m・C（４つの陽子＝４つの水素原子核）（ヘリウム原子核）核融合に話を戻すと・・・
２）核融合・・・・軽い元素 水素（プラズマ状態）
２14（太陽） ４H → He ＋ m・C（４つの陽子＝４つの水素原子核）（ヘリウム原子核）

質量は ４H1 ＞He4 のはず
17

1４H>

4He の確認

周期律表より・水素原子量 1.00794
・ヘリウム原子量 4.00260

周期律表

4 x 1.00794 = 4.03176 > 4.00260
よって発生するエネルギーは、1モルあたりm・C2 = (4.03176 – 4.00260) x C2 ＞ ０（光速：C=3x1010 cm/s ）これが、太陽の発する核融合エネルギー 18原子力エネルギーの発生方法
（まとめ）
①核融合

②核分裂

（鉄より軽い元素）（鉄より重い元素、ウラン、プルトニウムなど）

1H 1 H

1H 1H

エネルギー
発生

235U

エネルギー
発生
４He

1H :水素原子核
４He:ヘリウム原子核

A B
235U:ウラン235原子核A B ：核分裂生成物(セシウム137、ヨウ素131など沢山ある)

：中性子

19

核融合はプラズマが起こす！
我が太陽は、高温・高圧のプラズマの塊中心で核融合を起こしている
夜空に輝く星（恒星）はすべて核融合を行って光っている20

我が太陽の内部

21

宇宙の星々（恒星）を巧みに分類すると
（ＨＲ図）

22

絶対等級（明るさ)）

オリオン座 左肩の赤い星が「赤色巨星」のベテルギウスという変光星です。

太陽の一生

23

太陽の質量：M0

M<M０

超新星爆発
M<30M０

M<8M０

M>8M０
M>30M０

超新星爆発

我々の太陽はブラックホールになれない

朝日新聞平成19年2月20日
24地球上の元素、宇宙の元素
地球だけを見ても、軽い水素だけでなく、様々な金属元素、動物の骨の成分カルシウム、ウラニウムなどの超重量元素が存在している。

宇宙のこういった重い元素の存在は、太陽が行っている核融合反応だけでは説明ができず、長い間謎であった。
そこで、宇宙の重い元素はどうやって生まれたのか、簡単に触れておく。
25

元素は宇宙のどこで造られるか
燃料

核融合 Heなど

温度
水素
ヘリウム
リチウム
（～１０億度）燃料

H

ウラン
カリフォニュウム
（～１０億度）

鉄族
酸素～ビスマス（数億度）
ベリリュウム、炭素（～１億度）

ヘリウム（～１千万度）ベリリュウムホウ素(～０度）

ビッグバン 宇宙空間

太陽（恒星） 赤色巨星

超新星

時間の流れ26（元素のまとめ）人間や地球を構成している元素はどこから来たのか
１）ビッグバンによって作られた元素は、軽い水素、ヘリウム、リチウムに過ぎない。
２）人間の体を構成している窒素、炭素、酸
素、水素の他、カルシウム、マグネシウム、鉄などは、星の中で起きている核融合反応の結果できたものである。
３）鉄以上の重い元素は超新星爆発の結果生成されたものである。
27再び太陽の話に戻って（これまで分かったこと）
こういった太陽の仲間の星々（恒星）は、すべてプラズマを燃料に核融合を行いプラズマ粒子と光エネルギーを宇宙に放出している。
我々は、夜になると肉眼で核融合を見ることができる！

この太陽を、人間は２０世紀の半ばころから地球上に造ろうとしている（人工太陽）
28

プラズマを用いた人工太陽のシナリオ（我が太陽のようにはいかないので、同じ水素でも重水素と三重水素を用いる）
2
3
4２

H ＋H → He＋ m・C(重水素 D） （三重水素 T）

しかし、人工太陽の話はしませんが、今だにに成功していません。
29

（今日の大きな結論）
宇宙はプラズマで満ち満ちている！
• 太陽や夜空に輝く恒星はプラズマを用いて核融合を行って、宇宙にエネルギーを放出している。

• 地球に降り注がれる「光」は、核融合の結果である。
30

プラズマ
太陽・核融合光
草木は「葉」を形成し炭素を固定し、（水も使い）光合成を行う「葉」はあらゆる動物のエネルギー源となる炭水化物、糖類を生産する（動物は直接光エネルギーを吸収できない）31

「葉」は自然界最高の発明品であり、芸術作品である
32

緑や森林を単に環境問題の観点から注目するのではなく、我々の生命を維持する唯一の「命綱」であると認識すべきである。
33

今回のテーマ
このプラズマに満ちた宇宙空間で、どうして人間は（動物は）存在できるのか①人間は、植物を媒介として、核融合を行って生産しているプラズマの太陽エネルギーを吸収し、生命を維持している。

母なるプラズマ太陽ー生命の源ー

34

②太陽風、宇宙線の侵入を防ぐメカニズムが地球に存在する！
地球磁場が太陽風、宇宙線の侵入を阻止し、生命を守っていることが、宇宙プラズマ物理学により明らかになった。
（今回は、その話は詳しくしませんでしたが・・・）

35

最後にシラー(1759-1805)の詩をどうぞ
樹々は成育することのない無数の芽を生み、根をはり、枝や葉を拡げて植物による固体と種の保存にはありあまるほどの 太陽光エネ
ルギーの養分を吸収する。
吸収
樹々は、この溢れんばかりの過剰を使うことも、享受することもなく自然に還すが、36

動物はこの溢れる養分を、自由で嬉々とした自らの運動に使用する。

このように自然は、その初源から生命の無限の展開にむけての序曲を奏でている。
物質としての束縛を少しずつ断ちきりやがて自らの姿を自由に変えていくのである。

動物は直接太陽エネル
ギーを吸収できないので植物から貰う（以上がシラーの詩）（言い換えると、自然界は植物を媒介して、プラズマで造られた太陽光エネルギーを何にでも使える自由エネルギーに変えていくということ。）

何というシラーの驚くべき洞察力だろう！

37