ヘリウムの原子核について

質問

物理学は、文系の大学の一般教養でやったきりなので全くの素人ですが、高校時代は理系にいましたので、大変興味があって、今少し研究しています。

その中で少し疑問に思ったのですが、ヘリウム原子は普通、陽子ふたつに中性子がふたつですが、中性子のない、陽子がふたつだけの原子（ヘリウム原子というべきか、２重水素というべきか）は自然界に存在しないのでしょうか？もし存在しないのであれば、その理由はなんでしょうか？また、人工的に核融合反応か何かで作れるものなのでしょうか？ご存じの方、お願いします。

回答No.10

SRX6 · ベストアンサー

核力について補足。
強い力と言われる様に電磁気力より、遥かに強い力ですが、力が届く距離が短くて、隣りの粒子ぐらいまでしか届きません。

あと、前の投稿では書かなかったんですが、核力は陽子と中性子との間に働く力と考えてください。
陽子のみ、中性子のみでは充分に働きません。

核力をイメージで書きます。
単純化のため、前の投稿のように、中性子は陽子が服を着込んだものと思ってください。
原子核の中で、ある中性子が服を脱いで隣りの陽子に渡します。この時、服を脱いだ中性子は陽子になって、服を渡された陽子は中性子になります。
これをいろんな所で繰り返すこと、服を引っ張りあうことで、陽子-中性子が引きあって原子核になります。

ちなみに、この服は中間子という粒子ですが、
この機構を提唱してノーベル賞をとったのが、湯川秀樹博士の中間子理論です。

お礼

なんどもありがとうございました。
中性子が単体でいると陽子になってしまうこと、陽子と中性子の服の引っ張りあいの例え、非常によくわかりました。湯川秀樹博士の中間子理論とは、もちろん聞いたことはありましたが、これでよくわかりました。新たに本も読みながら、もう少し勉強してみます。

回答No.9

SRX6

話が進んでいますね。

中性子は、それ単体では15分ほどで壊れて、陽子(と幾つかの素粒子)になります。
その理由は、両者ともほとんど同じ質量の粒子なんですが、陽子より中性子の方がごくわずかに重いため、安定な(より軽い)状態へ移ろうとするためです。

大体、次のような感じで考えてください。
中性子とは、陽子が服を着込んだ状態です。
放って置くと邪魔な服を脱ぎ捨てて身軽になろうとすると。

回答No.8

noname#136764

ではクーロン斥力はないのに中性子が２個結合した二重中性子がなぜ存在しないのか？

パウリの排他律のため、ですよね。
(なぜ排他律がはたらくのかまでは説明できませんが)

ヘリウム２についても、基本的には同じはずです。クーロン斥力のせいではなく、核力が働かないから。

お礼

ありがとうございます。
mugisakenomiさんのお答えは、ＳＲＸ６さんなどのお答えと結局同じことなのか、反対のことなのか・・・。
これはきっとパウリの排他律を理解できないとわからないことですね。調べてみます。
二重中性子は存在しないのですか？単体の中性子も存在しないのかな？単体の陽子は存在するのに単体の中性子はなぜ存在できないのでしょうか。

回答No.7

Mell-Lily

陽子と陽子の間には、引力である核力と、斥力であるクーロン力が働きます。核力は、クーロン力より大きいので、陽子と陽子は、くっ付きますが、ここに、中性子を一つ加えれば、よりしっかりと、くっ付くわけです。

お礼

ありがとうございます。
う～む、核力はクーロン力より強いのですか？中性子がなくても一応は陽子同士はくっつくということでしょうか？

回答No.6

SRX6

単純化すれば、陽子は電磁気力(反発する力)と強い力(くっつける力)の両方を持ち、中性子は強い力だけを持ちます。
陽子だけが集まると、電磁気力の合計が強い力の合計を上回るので、中性子を加えて強い力を増やさないと原子核が壊れてしまう訳です。

お礼

ありがとうございます。
非常によくわかりました。
中性子は強い相互作用を持っているので、
それが加わることによって陽子同士が結びつくことも可能になるのですね。

回答No.5

ryumu

理由はよく知りませんが核子間の結合には、その粒子のスピンが互いに同じ向きであることが必要で、スピンの向きが互いに逆だと核子間の結合が不安定になるのだそうです。

ですので、ヘリウム２を形成しようとすると、安定な核子対を形成するために２つの陽子のスピンが同じ向きにならなければならなくなり、それはパウリの排他原理により許されないため、ヘリウム２は存在できない・・・ということになります。

一方、重水素の原子核の場合、核子を構成する陽子と中性子のスピンが同方向でも排他原理に反しませんので存在できます。そして、このため重水素の原子核スピンは１となります（陽子スピン１／２＋中性子スピン１／２＝重水素原子核スピン１）。

お礼

ありがとうございます。
スピンのことは、どこかで読んだ記憶があります。でもそれがこのことに関係しているとは知りませんでした。
それにしてもスピンとは不思議ですね。中性子や陽子のスピンを地球の自転のようなものと想像してよいのか、それとも全く別の性格を地球の自転に例えてスピンと名づけているのか、不思議です。
また、そのスピンし続けるエネルギーはどこからくるのか、もしスピンが止まればどうなるかなど、私にとってはなぞが深まるばかりです。

回答No.4

noname#108554

ちなみに、引用はp.132です。

>宇宙の全ての核子が同じ定数を持つというのも、マクロの感覚では不思議ですね。

いい感覚ですね。ほんとにいい感覚ですよ。
どうしていい感覚なのかを語り始めると
かなり難しい話になるのでやめときますが。

>その定数は今後宇宙の進化とともに変わる可能性もあるのでしょうか。

その話も私が挙げた本の3.6章「基本定数は時間変化するか？」に出ています。

お礼

何度もありがとうございます。
物理学は小さなミクロの研究が宇宙の大規模構造の研究につながるところが面白いですね。
ぜひその本、読ませていただきます。

回答No.3

noname#108554

・・・逆に、強い力が現在より強いと、陽子2個を結合させてヘリウム2を作ることが可能になる。通常ヘリウム2はクーロン斥力とパウリ原理のために2個の陽子が結合できず安定でないのだが・・・(中略)・・・αs(引用者注:強い相互作用の強さを表す定数)が1％強いだけでヘリウム2は結合できる。・・・(中略)・・・その結果として宇宙の水素はすべてヘリウムになってしまうだろう。また、弱い力が関与しないから、反応は急速に進み星の寿命は短くなってしまうだろう。

参考文献：池内了著「宇宙と自然界の成り立ちを探る」

というわけで、結論から言うと
ヘリウム2(2重水素というと陽子-中性子ペアになってしまう）
が存在しないのはエネルギー的に不安定だからです。
しかし、この不安定さは微妙な話で、
ちょっと結合定数が変わっただけでヘリウム2は生成されてしまいます。

お礼

ありがとうございます。
その参考文献、一度読んでみます。
「強い相互作用」の定数の関係で、ヘリウム２は安定しないんですね。
宇宙の全ての核子が同じ定数を持つというのも、マクロの感覚では不思議ですね。
その定数は今後宇宙の進化とともに変わる可能性もあるのでしょうか。

回答No.2

Mell-Lily

原子核を構成している陽子と中性子を、「核子」と呼んでいますが、核子の間には、核力が働きます。この核力を介して、陽子と中性子は、原子核を形成しているわけです。ところが、中性子は、電気的に中性ですが、陽子は、正に帯電しています。同電荷の間には、反発力が働きますから、陽子と陽子は、お互いに反発し合っています。したがって、原子核は、適当に中性子を含むことで、安定になるわけです。安定な原子核をつくる、陽子と中性子の構成数は、大体、決まっていて、「マジックナンバー」と呼ばれています。「マジックナンバー」を外れるほど、原子核は、崩壊しやすくなり、安定して存在し得ないことになります。
ヘリウムのアイソトープには、ヘリウム３とヘリウム４があります。ヘリウム３の原子核は、陽子二つと中性子一つです。

お礼

ありがとうございます。
陽子同士が反発するのはわかるのですが、電気的に中性の中性子を含むと安定する理由が今ひとつわからないのです。つまり、電気的にゼロの中性子は、その通り電気的な影響を及ぼさないと素人目には思えるので、なぜそれがあると陽子がくっつくことができるのでしょうか。ふたつの陽子はくっついておらず、それぞれ中性子と結びついているということでしょうか。

回答No.1

ranx

ご質問の構造だと、質量数２のヘリウム同位体ということになると思いますが、
ヘリウムの安定同位体は、質量数３のものと４のものの２種類のようですので、
自然界には、安定的には存在しないと思います。
原子核中の陽子の割合が高いと、電磁的な斥力が働きますから、不安定になります。

お礼

ありがとうございます。
そうですね。ヘリウムの同位体というべきでしたね。
やはり自然界には存在しないんですね。