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{{原子核物理学}}

'''核分裂反応'''（かくぶんれつはんのう、{{lang-en-short|nuclear fission}}）とは、[[原子核]]が分裂して同程度の大きさの[[原子核]]に分かれること。'''核分裂'''または'''原子核分裂'''ともいう。[[1938年]]に、[[オットー・ハーン]]と[[フリッツ・シュトラスマン]]らが天然ウランに低速中性子(slow neutron)を照射し、反応生成物に[[バリウム]]の同位体を発見した。この結果を[[リーゼ・マイトナー]]と[[オットー・ロベルト・フリッシュ]]らがウランの核分裂反応であると解釈し、fission（核分裂）の語を当てた<ref>  小田稔ほか編、『理化学英和辞典』、研究社、1998年、項目「nuclear fission」より。ISBN 978-4-7674-3456-8</ref>。

== 概要 ==
核分裂反応は主に以下の原因で発生する。

#核分裂しやすい核種（[[核分裂性物質]]）に[[中性子]]が衝突する（誘導核分裂）
#[[超ウラン元素]]などの[[不安定核|不安定な原子核]]が自発的に分裂する（[[自発核分裂]]）

前者の例として[[ウラン235]]など、後者の例としては[[プルトニウム240]]
などが挙げられる。

なお、原子核の分裂を伴う[[核反応]]として[[ヘリウム]]核（[[アルファ粒子]]）や[[陽子]]などを放出するものが知られているが、これらは[[荷電粒子放出反応]]と呼ばれ、核分裂とは区別される<ref>  三澤毅ほか、『原子炉物理実験』付録1A「原子炉物理の基礎知識」より。京都大学学術出版会 ISBN 978-4-87698-977-5</ref>。

核分裂反応では主に、'''中性子・熱エネルギー（[[崩壊熱]]）・核分裂生成物'''が生成される。

この中性子が別の核分裂性物質の原子核に吸収されると[[連鎖反応 (核分裂)|連鎖反応]]が起き、次々発熱反応を伴う核分裂反応が起きる。このことにより、連鎖反応で一度に大量の[[熱エネルギー]]を生成する事ができる。[[原子力発電]]や[[原子爆弾]]はこの連鎖反応を応用したものである。

=== ウラン235の核分裂反応 ===
[[File:Nuclear_fission.svg|thumb|right|250px|[[ウラン235]]の核分裂反応の一例。中性子を吸収したウラン235がクリプトン92とバリウム141に分裂し、中性子が放出される。]] 
核分裂反応の特に有名な例として[[ウラン235]]の核分裂反応が挙げられる。ウラン鉱で産出する[[天然ウラン]]には、核分裂しやすいウラン235とほとんど核分裂しないウラン234、ウラン238が含まれている。ウラン235が中性子を吸収すると、原子核が不安定になり、エネルギーを放出して二つの原子核と幾つかの[[高速中性子]]への分裂

:<math>{}^{235}{\rm U} + {\rm n} \rightarrow {}^{95}{\rm Y} + {}^{139}{\rm I} + 2{\rm n}</math>

が起きる<ref group="注釈">核分裂反応は確率的に起こるため、他の[[核種]]を生成することもあり、反応はあくまで一例にすぎない。</ref>。この反応ではイットリウム95 とヨウ素139 が生成されるが、上式で元素記号の左肩に示した[[質量数]]は[[原子核]]の中に存在する[[陽子]]と中性子の和であり、反応の前後において質量数は保存される<ref>{{cite|和書 |author=山本義隆 |title=新・物理入門 増補改訂版 |publisher=駿台文庫 |year=2004 |page=319 |isbn=978-4-7961-1618-3}} C7342</ref>。

しかし、質量数はあくまで陽子と中性子の総和であって質量ではなく、実際の原子核の質量は一般に質量数である陽子と中性子の質量の総和よりも小さい。この質量差を[[質量欠損]]と呼び、原子核内部の結合エネルギーに相当する。質量欠損と結合エネルギーの関係式は、質量とエネルギーの関係式E=mc²（[[特殊相対性理論]]）で表される。よって、原子が核分裂を起こすとこの質量の差に相当するエネルギーが外部に放出される。

上記ウラン235の核分裂反応で放出されるエネルギーはウラン原子一つあたり約3.2&times;10<sup>-11</sup> J となる。[[アボガドロ定数]]を''N''<sub>A</sub> 、質量数を''A'' として、ウラン235 1グラムあたりに含まれる原子数は

:<math>\frac{N_A}{A} = \frac{6.02\times10^{23}\;\mathrm{mol}^{-1}}{235\;\mathrm{g/mol}}=2.56\times10^{21}\;\mathrm{g}^{-1}</math><!--便宜上、質量数 A に単位 g/mol をつけています-->

であるから、1グラムのウラン235、すなわち2.56&times;10<sup>21</sup> 個のウラン235が全て核分裂を起こすと

:<math>(3.2\times10^ {-11}\;\mathrm{J}) \times (2.56\times10^{21}\;\mathrm{g}^{-1}) = 8.2\times10^{10}\;\mathrm{J/g}</math>

とおよそ 8.21&times;10<sup>10</sup> J のエネルギーが生まれる事になる<ref group="注釈">実際の反応ではウラン235だけでなく核分裂生成物による二次的な核反応等が複数起きるため、必ずしもこの通りの値にはならない。</ref>。これは、1世帯が消費するエネルギー<ref>
{{Cite web|和書
 | title = 2017年度の家庭のエネルギー事情を知る ～家庭でのエネルギー消費量について～
 | publisher =環境省
 | url =https://www.env.go.jp/earth/ondanka/kateico2tokei/2017/result3/detail1/index.html
 | accessdate = 2021-04-29}}
</ref>の約2年半分に相当する。

== 発見 ==
{{Main|核分裂の発見}}
[[File:Hahn and Meitner in 1912.jpg|thumb|373x373px|オットーとマイトナー(1912年)]]
[[File:Nuclear Fission Experimental Apparatus 1938 - Deutsches Museum - Munich.jpg|thumb|right|1938年当時の核分裂実験装置]]

核分裂は40年以上にわたる[[放射能]]の科学と、原子の構成要素を説明する新しい[[核物理学]]の研究を経て、[[1938年]]、[[カイザー・ヴィルヘルム化学協会]]（現在の[[ベルリン自由大学]]）の建物内で発見された。

[[1911年]]、[[アーネスト・ラザフォード]]は、非常に小さくて高密度の正[[電荷]]を帯びた陽子の原子核の周りを、負電荷を帯びた電子が回っているという原子モデル（[[ラザフォードモデル]]）<ref>{{cite journal |author=E. Rutherford|year=1911|title=The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom|journal=Philosophical Magazine|volume= 21|pages=669–688|url=http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/rutherford11/eng.pdf|bibcode=2012PMag...92..379R|doi=10.1080/14786435.2011.617037|issue=4|s2cid=126189920}}</ref>を提唱し、[[1913年]]には[[ニールス・ボーア]]がこれを改良して電子の量子的な振る舞いを整合させた（[[ボーアモデル]]）。のちに[[アンリ・ベクレル]]、[[マリ・キュリー]]、[[ピエール・キュリー]]、ラザフォードらの研究により、原子核はさまざまな形で放射性崩壊を起こし、他の元素に変化することが明らかにされた。[[核変換]]の実験はいくつか行われており、1917年、ラザフォードは[[窒素]]に向けたアルファ粒子を使って、窒素から[[酸素]]への核変換
<sup>14</sup>N + α → <sup>17</sup>O + p&nbsp;
を成功させた。これは核反応を初めて観測したものである。1932年、ラザフォードの同僚である[[アーネスト・ウォルトン]]と[[ジョン・コッククロフト]]は、[[リチウム7]]に加速した陽子を衝突させ、2つのアルファ粒子に分裂させるという、完全に人工的な核反応・核変換を達成した<ref>{{cite web |url=http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cockcroftwalton/cockcroftwalton9_1.htm |title=Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932 |publisher=Outreach.phy.cam.ac.uk |date=1932-04-14 |access-date=2013-01-04 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20120902195556/http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cockcroftwalton/cockcroftwalton9_1.htm |archive-date=2012-09-02 }}</ref>。この実験結果は核分裂反応ではないが、「原子の分割」としてその偉業が知られ、「人工的に加速された原子粒子による原子核の変換」で[[1951年]]の[[ノーベル物理学賞]]を受賞した 。

[[イギリス]]の物理学者[[ジェームズ・チャドウィック]]が[[1932年]]に中性子を発見<ref>Chadwick announced his initial findings in: {{cite journal |author=J. Chadwick|doi=10.1038/129312a0|title=Possible Existence of a Neutron|year=1932|page=312|issue=3252|volume=129|journal=Nature|url=http://web.mit.edu/22.54/resources/Chadwick.pdf|bibcode= 1932Natur.129Q.312C|s2cid=4076465}} Subsequently he communicated his findings in more detail in: {{cite journal |doi=10.1098/rspa.1932.0112|author=Chadwick, J.|year=1932|title=The existence of a neutron|journal=Proceedings of the Royal Society A|volume=136|issue=830|pages=692–708|url=http://www.chemteam.info/Chem-History/Chadwick-1932/Chadwick-neutron.html|bibcode= 1932RSPSA.136..692C|doi-access=free}}; and {{cite journal |doi=10.1098/rspa.1933.0152|author=Chadwick, J.|year=1933|title=The Bakerian Lecture: The neutron|journal=Proceedings of the Royal Society A|volume=142|issue=846 |pages=1–25|bibcode= 1933RSPSA.142....1C|doi-access=free}}</ref>した後、[[エンリコ・フェルミ]]らは、[[1934年]]にウランに中性子を照射して生じた物質について研究を行った<ref>E. Fermi, E. Amaldi, O. D'Agostino, F. Rasetti, and E. Segrè (1934) "Radioattività provocata da bombardamento di neutroni III," ''La Ricerca Scientifica'', vol.&nbsp;5, no.&nbsp;1, pages&nbsp;452–453.</ref>。 フェルミは、この実験で93個と94個の陽子を持つ新元素が生まれたと結論づけ、研究グループはそれぞれアウソニウムとヘスペリウムと名付けた。しかし、フェルミは「中性子照射によって生成された新しい[[放射性元素]]の存在を証明したこと、および[[低速中性子]]によって引き起こされる核反応を発見したこと」により、[[1938年]]にノーベル物理学賞を受賞することになるが、当時フェルミの分析結果に納得する人は少なかった。

フェルミのこの報告の後、[[オットー・ハーン]]、[[リーゼ・マイトナー]]、[[フリッツ・シュトラスマン]]らが[[ベルリン]]で同様の実験を始めた。ハーンは原子核の破裂を示唆していたが、その結果の物理的根拠は未だ不明であった。バリウムの原子質量はウランより40％も小さく、これまで知られていた放射性崩壊の方法では、原子核の質量がこれほど大きく違うことを説明できなかったためである。フリッツは半信半疑だったが、マイトナーはハーンの化学者としての能力を信頼していたため、マイトナーとフリッツは、ハーンの結果を「ウランの原子核が半分になった」と解釈した。フリッツは、生物の[[細胞]]が2つの細胞に分裂する過程をbinary fission（二分裂）と呼ぶのになぞらえて、この過程をnuclear fission（核分裂）と呼ぶことを提案した。核のchain reaction（連鎖反応）という言葉が後に化学から借りてきたように、fission（分裂）という言葉も[[生物学]]から借りてきたものである。

[[1939年]]1月25日、[[コロンビア大学]]のチームは、[[ピューピンホール]]の地下で、[[アメリカ]]で最初の核分裂実験を行った。この実験では、[[酸化ウラン]]を[[電離箱]]に入れて中性子を照射し、放出されたエネルギーを測定した。その結果、核分裂が起きていることが確認され、特にウラン235という同位体が核分裂を起こしていることが強く示唆されたのである。翌日、[[ワシントンD.C.]]では、[[ジョージ・ワシントン大学]]と[[カーネギー協会]]の共催による「第5回ワシントン理論物理学会議」で核分裂のニュースがさらに広まることとなり、実証実験が盛んに行われるようになった<ref>Richard Rhodes (1986). ''The Making of the Atomic Bomb'', Simon and Schuster, pp. 267–270, {{ISBN2|0-671-44133-7}}.</ref>
。

== 核分裂生成物 ==
[[File:ThermalFissionYield.svg|thumb|right|250px|原子力発電所におけるウラン235とプルトニウム239、および[[トリウム燃料サイクル]]におけるウラン233の核分裂生成物の収率のグラフ。横軸が[[質量数]]、縦軸が収率。赤がウラン235の収率、青がプルトニウム239の収率、緑がウラン233の収率である。]]

核分裂の過程で原子核が分裂してできた核種を'''核分裂生成物'''という。核分裂片ともいう。分裂するときに[[魔法数]]に近い安定な原子核になろうとするため通常二等分になることはなく、質量数140程度と95程度の核に分裂することが多い。

核分裂生成物がどの核種になるかはある確率で決まる。この確率を'''[[収率]]'''という。核分裂する核種によって異なる収率分布をもっているので、核分裂生成物を分析すれば核反応を起こした親核種が判る。
例えばウラン235が核分裂を起こした場合その核分裂生成物は80種類程度生じ、質量数は72から160と広範囲に分布している。これらは質量数90と140付近の[[最頻値|ピーク]]を中心として鞍型の分布をなしている。

核分裂生成物は様々な核種の混合物であるが、総じて陽子数と中性子数との均衡を欠いており[[放射能]]を持つ。これらの[[放射性同位体]]は、陽子と中性子の均衡が保てるところまで[[放射性崩壊|壊変]]（主に[[ベータ崩壊]]）を繰り返す。
核分裂生成物の中には中性子を吸収すると比較的安定な核種になる物質が含まれる。このような物質は、原子炉に蓄積して核分裂連鎖反応を阻害するため、毒に例えて[[中性子毒]]あるいは単に[[毒物質]]と呼ばれる。原子炉を停止したり出力を変えた場合、放射性の毒物質の存在量は時間とともに変化するため、原子炉の挙動を不安定にする要因となる。

これらの崩壊速度は様々で、数秒から数ヶ月でほぼ崩壊しつくす短寿命の核種、100年単位の中寿命の核種、そして[[半減期]]すら20万年を超える長寿命の核種が知られている。放射性物質は基本的には[[平均寿命#素粒子・放射性同位体の平均寿命|寿命]]が短いほど少量でも[[放射能]]が強いものの短期間ですぐに減衰するが、逆に長寿命であれば放射能は少量ならば弱い（大量にあれば当然強い）が、時間が経ってもなかなか減らないという性質を持っている（[[比放射能]]も参照）。

短・中寿命核種は盛んに放射線を放って崩壊するため少量でも放射能が大きく、例えば[[1945年]]に[[原子爆弾]]の被害を受けた[[広島市]]と[[長崎市]]では、[[被爆者]]だけでなく家族や知人の行方を捜すため[[爆心地]]周辺に後日立ち入った人々が重篤な[[放射線障害]]を受けた原因となっている。

一方、長寿命核種は放射能は小さいが寿命が数万年以上に達するものもあり、大量に存在すると人間社会の尺度では半永久的に放射線を放ち続けることになる。このことは原子炉の[[使用済み核燃料]]の処分において重大な課題であり、[[ガラス固化体]]に加工したのちに地中深くに保管する[[地層処分]]などの手段が検討されている。

このように多数の核種から構成されている核分裂生成物であるが、核分裂が起こってからt分経過した後の全ての核分裂生成物の合計の放射能の強さの減衰は一定であり、

:<math>A(t)=A_{0}t^{-\alpha}</math>

で与えられる。ここで''A''<sub>0</sub> は''t'' = 0 つまり核分裂が起こった時点の放射能の強さ、&alpha;は定数であり1.2である<ref>Hunter, H F, and Ballou, N E. FISSION-PRODUCT DECAY RATES. N. p., 1951. Web.</ref>。

=== 核分裂収率の一覧 ===

以下では熱中性子によるウラン235およびプルトニウム239のおもな核分裂生成物の表を与える<ref>{{cite|和書 |editor=日本アイソトープ協会 |title=アイソトープ手帳11版 |publisher=丸善 |year=2011 |page=126-127 |ISBN=978-4-89073-211-1}}</ref>。軽水炉等では熱中性子により核分裂を起こすため、原子力事故等で放出される核種は熱中性子による核分裂生成物となる。高速中性子による核分裂での収率は異なるため、[[高速増殖炉]]の事故や[[原子爆弾]]の爆発などでは、核分裂生成物の収率は異なる。

{| class="wikitable"
|+ウラン235・プルトニウム239の熱中性子による核分裂で生じる主な核分裂生成物
!生成物!!ウラン235の収率!!プルトニウム239の収率!!半減期!!備考
|-
|style="width:20%" |[[セシウム]]133||6.70%||7.02%||安定||一部は中性子捕獲により半減期約2年の[[セシウム134]]になる
|-
|[[ヨウ素]]135||6.28%||6.54%||6.57h||崩壊で生成する[[キセノン]]135は原子炉でもっとも主要な毒物質で10-50%が中性子捕獲によりキセノン136になり、残りは半減期9.14hでセシウム135になる。
|-
|[[ジルコニウム]]93||6.30%||3.80%||1.53My||
|-
|[[セシウム137]]||6.19%||6.61%||30.17y||
|-
|[[テクネチウム]]99||6.05%||N/A||211ky||
|-
|[[ストロンチウム]]89||4.73%||1.72%||50.53d||
|-
|[[ストロンチウム]]90||5.75%||2.10%||28.9y||
|-
|[[ヨウ素131]]||2.83%||3.86%||8.02d||
|-
|[[プロメチウム]]147||2.27%||N/A||2.62y||
|-
|[[サマリウム]]149||1.09%||1.22%||安定||主要な毒物質のひとつ
|-
|[[ヨウ素]]129||0.543%||1.37%||15.7My||
|-
|[[キセノン133]]||6.70%||7.02%||5.2475d||
|}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}

== 関連項目 ==
*[[原子核反応]]
*[[核分裂連鎖反応]]
*[[中性子毒|毒物質]]
*[[自発核分裂]]
*[[核分裂性物質]]
**[[ウラン235]]
**[[プルトニウム|プルトニウム239]]

== 外部リンク ==
{{ウィキポータルリンク|原子力}}
*[https://atomica.jaea.go.jp/ 原子力百科事典 ATOMICA トップページ]
**[https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_03-06-03-01.html 原子核物理の基礎（1）原子核の構造　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_03-06-03-02.html 原子核物理の基礎（2）原子核の壊変　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_03-06-03-03.html 原子核物理の基礎（3）核反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_03-06-03-04.html 原子核物理の基礎（4）核分裂反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]
**[https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_03-06-04-01.html 原子炉物理の基礎（1）原子炉の構造と核分裂連鎖反応　(原子力百科事典　ATOMICA)]
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