◉特 集 ◉かく物質を構成する原子核● 著者略歴 ●1994 年、博士（理学）［京都大学］取得。
その後、大阪大学核物理研究センター、カナダ・チョークリバー研究所、英国・マンチェスター工科大学、理化学研究所での研究員、東北大学（助教）、筑波大学（講師）、理化学研究所（准主任研究員）を経て現職。

筑波大学
計算科学研究センター教授

中務

孝

原子は原子核と電子に「分割できる」のです。しかし、はじめに今回「かく」というテーマの特集の中で「原子核」

図１の原子と原子核の相対的な大きさは正しくありまの話をさせていただくことになりました。私は原子核せん。原子がこの程度の大きさでは、まだまだ中心の物理学の研究を大学院時代から既に四半世紀に渡って原子核は小さすぎて見えません。

続けてきていますが、原子核は未だに謎に包まれた原子はオングストローム（Å）という単位の大きさ研究対象です。我々が莫大な時間と労力をかけても、を持ちます。1Å = 10 − 10 m で、電子顕微鏡を使うと自然はほんの一部しかその姿を見せてくれません。

何とか

しかしそこから、人類は科学を構築し、技術を発展されよりもはるかに小さく、その大きさはフェムとメーせてきました。今回私がお話する原子核の話は、人類トル（fm）というスケールで、1 fm = 10 − 15 m です。

がこれまでに手にしたそのような限られた知識の一部

これらの数字はですが、少しでも興味を持っていただければ幸いです。

思ってください。物理学の研究者は、数倍から場合に見ることができる大きさです。原子核はこだいたいの大きさを表しているとよっては十倍程度の違いは気にせずに平気で話をするのでご容赦ください。イメージで言うと、半径 1 km

原子核の発見物質は多数の原子から構成され、その原子は、中心の巨大な球を原子だとすると、原子核はピンポン玉くに原子核、その周りを電子が回っているということはらいになります。 ピンポン玉くらい読者の多くがご存知だと思います。もともと原子のコ玉から野球のボールくらいまでを含んでいると思っ

語源は古代ギリシャのアトモスから来ていて、哲学者てください。のデモクリトスが命名した「これ以上分割できない」
最小単位という意味でした。とは、パチンおよそ 100 年前に原子核はラザフォードによって発見されました。電子顕微鏡でも見えないこんな小さな

図 1 はアメリカ原子力委員会（現在の原子力規制物体をどうやって見つけたのでしょうか。まずこの話委員会の前身）のロゴですが、原子の構造を模式的から始めたいと思います。当時、フランスのベクレルに表していて、原子核と電子の軌道を表しています。

やキュリー夫妻によって、放射線を出す原子があることが知られていました。この放射線の一つであるアルファ線を使って金の薄膜にぶつけるという実験がイギリスのマンチェスターで行われました。アルファ線とは、放射性の原子から放射されるヘリウムの原子核です。実験は、ラザフォードの助手であったガイガーと学生のマースデンが行い、彼らは、金膜に衝突して後方に跳ね返されたアルファ線を観測しました。この

図1

原子模型。中心の赤い玉が原子核。

結果を聞いたラザフォードは驚愕します。なぜこれが− 20 −

びっくりすることだったのかを説明するには、紙面がに原子核を発見しました。大学の建物に掲げられた円足りないので省略しますが、当時ヨーロッパで信じら形パネルにラザフォードの業績が刻まれていました

れていたトムソンの原子模型ではあり得ないことで（図 2）。彼の業績の偉大さから考えると小さなパネルした。ラザフォードは後にこの時の驚きを、「ちり紙ですが、「初めて原子を分割した」（First to split theに向かって大砲を打って大砲の弾が跳ね返ったようなatom）とあります。

もの」と表現しています。
ラザフォードはこの結果の意味について数年にかけ量子力学の発見
原子核の発見は、物理学に大変革をもたらしました。て考察を重ね、一つの結論に至ります。実験結果を矛盾なく説明するためには、原子よりもはるかに小さい

それが量子力学の点のような領域に、電子の負の電荷を打ち消すだけの隠されていた新しい法則（理論）を発見したのです。

正の電荷があり、そこに原子のほぼ全ての質量が集中量子力学は大変不思議な理論ですが、その正しさは疑している「核」が必要だというのです。人類が原子核いようがありません。この理論に合わない実験結果がをした瞬間です。こんなことを「発見」と得られれば間違いなくノーベル賞ですから、研究者は呼んでよいのか、と思われる読者もいるでしょう。

血眼で間違い探しをやりましたが、ほころびすら見つ

実は、科学の重大な発見の多くは、このような傍証けることができませんでした。ディーゼル車の排ガスの積み重ねなのです。その中の初期の最も重要な業績

検査では、最近、某国でショッキングな事件がありまに「発見」の栄誉が与えられます。ラザフォードの後したが、量子力学がパスした検査は全くレベルの違うに続く研究者の努力が無ければ、真の意味での「原子ものです。

発見

発見です。それまで自然界に原子を構成する電子と原子核はそれぞれ負と正の核の発見」は無かったでしょう。
ラザフォードの言ったとおり、原子の重さ（質量）電荷持っているので、お互いに電気的な力で引き合っのほとんどすべては、この小さな原子核にあります。ています。量子力学が無ければ、電子はやがて小さな私たちの周りの物質はすべて原子からできている原子核の中に吸い込まれてしまうはずです。ところがので、この世の中の物質の重さは、すべて原子核の重原子は原子核の 1 万倍以上（体積はこの 3 乗）の大さだと言って構いません。電子は原子核に比べるとはきさを持っていて、決して潰れることはありません。

るかに軽いので、物質の重さの 99.9 %以上が原子核なぜでしょうか。
量子力学の基本法則は様々な形に表現できるのでの重さなのです。
私は 2 年半の研究生活をマンチェスターで過ごしすが、その一つはハイゼンベルグが定式化した不確定ました。1 年中天気が悪く、細かい雨がいつも降って性原理と呼ばれるものです。かいつまんでその意味をいるという印象ですが、そんな街で、18 世紀に産業説明すると、粒子（この場合は電子）の位置を正確に革命が起こり、19 世紀初頭にドルトンが原子説を提知れば知る程、その粒子の速度（正確には運動量）は唱、そして 20 世紀にラザフォードがその原子の中心分からなくなるということです。これはミクロの世界の法則であって、我々の通常の感覚とは相容れません。
例えば、我々は自動車をあるスペースに駐車することができます。位置と速度を同時に決めているわけです。ところがミクロな世界では、粒子を小さな空間の中に閉じ込めると、その粒子はじっとしていられずに動き回ります。箱の大きさを小さくすると、粒子の速度はさらに大きくなります。図１をもう一度見てください。原子とは、この図のように、原子核が電気的引力によって、その周りに電子を閉じ込めたものと見ることができるので、閉じ込める領域をあまり小さくしすぎると、電子が激しく動き回り、エネルギーが大きくなってしまうのです。1Åという大きさが、原子

図2にとって英国・マンチェスター大学の建物に掲げられたラザフォードの業績を記したパネル。

ちょうどいい大きさであって、これ以上原子を小さくするとエネルギー的に損なのです。

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◉特 集 ◉

かく
このように、我々の常識が通用しないのが、ミクロな世界です。ニュートンが 17 世紀に万有引力を発見し、全く同じ運動方程式が、地球上の物体の運動と宇宙の天体の運動を記述できることを知りました。
その後長い間、この力学（古典力学）は万能だと信じられていましたが、20 世紀になって、古典力学が通用しない世界があることを知ったのです。もしかすると、やがて人類は量子力学が通用しない世界を発見するかもしれません。

陽子と中性子、核力の発見
原子核の研究が進み、やがて原子核は、陽子と中性子と呼ばれる２種類の粒子が結合しできていることが分かってきます。
陽子は電子とは逆の正の電荷をもち、中性子は名前の通り電荷を持たない中性の粒子です。
そうすると電気的には力が働かないはずです。
では陽子と中性子を結合させている力は何でしょう。この未知の力の謎を解明したのが、日本人初のノーベル賞受賞者である湯川秀樹です。この原子核

図3

を形作る力を「核力」と呼びますが、湯川が核力の太陽表面の活動。
NASA/Solar Dynamics Observatory より。

謎を解く際にも、量子力学の不確定性原理が重要な役割を果たしました。原子核は原子よりもはるかに小さ要なエネルギーをすべて供給し、台風や竜巻などを引いので、先ほどの不確定性原理から、その中に陽子とき起こしますが、太陽から地球に降り注いでいる熱や中性子を閉じ込めると、その運動エネルギーは巨大な光は、太陽が出しているエネルギーのほんの一部です。

ものになります。それに打ち勝つだけの強力な引力が太陽の表面では紅炎が立ち上がり、とてつもないエネ陽子や中性子の間に働いていないと原子核はあっとルギーが放出されていることは、読者の皆さんもご存いう間にバラバラになってしまいます。これで力の知のことでしょう（図３）。

強さが分かります。また、原子核の大きさから、力の到達距離

太陽の組成はほとんどが水素で、中心部には高圧・が分かります。湯川はさらに、この高温の水素が大量にあると考えられています。水素の力の到達距離から、これを媒介する未知の粒子の性質

原子核は 1 個の陽子ですが、これを 4 つ集めて結合を予言し、これが後にパイオンと呼ばれる粒子としさせると、ヘリウムの原子核を作ることができます。て発見されることになります。湯川の研究はその後、この反応でエネルギーを取り出しているのが、pp 連粒子の交換で力が生まれるとする物理学の鎖反応と呼ばれる太陽の燃焼過程です。この pp 連鎖

常識となって、現在に引き継がれています。

反応は、3 つの段階があります。ところがその第一段階の反応である 2 つの陽子から重陽子（陽子と中性子が結合した重水素の原子核）を作る反応はとてつもな星の燃料原子核は、陽子と中性子を原子よりもはるかに小さな箱

く起こりにくい反応で、この反応が進まないためにに閉じ込めたようなものですから、原子中太陽は水素をゆっくり燃やしているのです。量子力学の電子と同様、陽子と中性子は止まっていることはを使って反応率を計算し、太陽が燃え尽きるまでの寿できません。不確定性原理を使えば、陽子・中性が原命は約 100 億年と見積もられています。太陽が誕生し子核内部でもつ運動エネルギーは、原子の中の電子のてからまだ 50 億年程度なので、太陽が燃え尽きてしエネルギーのおよそ 100 万倍という大きなものになるまうという心配は、 しばらくは大丈夫そうです。

ことが分かります。この巨大なエネルギーを取り出し重水素を生成する核融合反応が律速となって太陽がて燃料として使っているのが、夜空に輝く星々です。

ゆっくりと 50 億年にわたって輝き続けてくれたおか

そのエネルギーの大きさは、人類の想像を絶する大きげで、地球上で生物が進化する時間が与えられ、運良さです。太陽は、地球上の生物が生きて行くために必く人類が誕生することができました。人類は、地球上− 22 −

でこの核融合を用いたエネルギー生成に挑戦していま1919 年に実現しています。窒素にアルファ線を当てすが、そこでは重水素を燃料にしています。重水素をて、酸素に変換することに成功したのです。しかし、作る太陽のマネは、まだまだできないのです。

有用な元素でもわずかな量では実際には役に立ちません。また、特定の核反応だけを選択的に起こさせるという技術も必要になります。量、反応の制御、生産

元素組成

コスト等、まだまだ太陽はヘリウムよりも重い原子核をほとんど作るこ

実用的な段階に向けた課題は山積みです。とはできませんが、宇宙には太陽よりもはるかに大きな巨星が存在し、そこではより重い原子核が作られてまた、原子力発電の使用済み燃料には様々な元素がいると考えられています。また、その巨星が燃え尽き入っています。日本の原子力発電のほとんどはウランたときに起こるとされる大爆発（超新星）などの爆発の核分裂を用いていますが、発電中に、その分裂片で現象においても重い原子核が作られている可能性がある「核分裂生成物」や、燃料のウランが分裂せずにあります。こうして、物質や生物を構成する元素は、別の元素に変換された「マイナーアクチノイド」と星の中や星の爆発の際に起こる核反応で作られてい呼ばれる元素を大量に生産しています。しかしながます。星はまさに、ヨーロッパで中世から研究されてら、これらは放射線を放出するやっかいものでもありいた「錬金術」を実現し、我々に必要な様々な元素をます。「核のゴミ」とも呼ばれる高レベル放射性廃棄供給しているのです。

物の中には、核分裂や核変換により新たに生成された高校の化学の教科書に載っていた元素の周期表を大量の元素があるのです。例えばパラジウムは自動思い出してみてください。元素の数は限られていて、車の排ガス浄化触媒として利用される貴重な元素で自然界には 100 種類もありません。原子番号の大きすが、その同位体の一つ 107Pd がゴミには大量に含まな重い元素の原子核はみな不安定で壊れてしまうのれています。107Pd は非常に長い期間放射線を出すやっです。実はこれは重要な性質です。もし地球上にとてかい物であって、そのままでは使い物になりません。

つもなく重い元素があったら、その強い重力のためにしかし、うまく中性子を一つ剥ぎ取れば、安定な（放人類は生活できなくなってしまうでしょう。1 円玉程射線を出さない）106Pd となります。この核変換を大の大きさの原子核がもし存在したら、100 万トンとい量に効率よく行うことができれば、ゴミを資源に変えうようなとてつもない重さになるのです。

ることができるのです。パラジウム以外にも多くの元地球を含む太陽系にどの元素がどれくらいあるか素が高レベル放射性廃棄物には含まれていて、これらは、かなり詳しく調べられています。多い順に、水素、を分離・変換するために必要な基礎データの収集と技ヘリウム、酸素、炭素、窒素、ネオンといった順番です。

術開発を目的としたプロジェクト※ が 2014 年からスヘリウムとネオンは希ガスで分子を作らないので、タートしました。これは、基礎物理と応用工学の研究それ以外で大量に存在している水素、酸素、炭素、者が集結して開発を進める新しい取り組みです。

窒素などを使って、地球上の生物の体は出来ていることが分かります。我々の体が有機物から出来ている

おわりに理由は、簡単に言ってしまえば、これらの元素が沢山

20 世紀、人類は原子核を発見し、量子力学を構築し、あるから、と言えるでしょう。ではなぜ、これらの放射線や核エネルギーの利用まで一気に突っ走りま元素は大量に存在するのでしょうか。レアメタルが、した。放射線が人類にもたらした恩恵は計り知れず、鉄や鉛よりはるかに貴重で高価なのはなぜでしょう。

レントゲンのない社会など、もはや想像すらできない

このような素朴な疑問に答えるためには、原子核のでしょう。一方で、東日本大震災と福島第一原子力発構造・反応の性質を理解することが必要です。長年の電所の事故は、科学技術への過信の危うさ、不断の努研究を通して、我々はその答えに近づいてはいますが、力が常に必要であることを改めて思い知らされる出来まだその謎は完全には解けていません。

事でした。我々の自然に関する知識は、全体のほんの一部であるという自然科学の研究者には当たり前のことをもう一度肝に銘じて、謙虚な姿勢で研究を続けてゴミを資源に変える可能性星が錬金術を実現しているのなら、人類もやがて実行きたいと考えています。

現できるのではないでしょうか。そう考えるのは当然です。事実、原子核を別の原子核に変換するいわゆ［参考サイト］

る核変換は、原子核を発見したラザフォード自身が※ http://www.jst.go.jp/impact/program08.html− 23 −