原子核内における核子の運動エネルギー

質問

下記質問において、No.5（shiaraさん）の回答についてです。

質量欠損って何がなくなったの？
http://okwave.jp/qa/q6607947.html

shiaraさん、すみません、他の方が参照しやすいように全文掲載させてもらいます。
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原子核は、陽子と中性子が集まって出来ています。これらはしっかり結びついていてまったく動かない、というものではありません。核力のポテンシャルは井戸型をしていて、陽子と中性子は、井戸型ポテンシャルの中で自由に動き回っていると考えられます。したがって、陽子と中性子は、運動エネルギーを持っています。これを原子核の外から見ると、原子核の質量は、陽子と中性子の質量の他に、陽子と中性子の持っている運動エネルギーから来る余分な質量を持っています。この余分な質量と運動エネルギーの関係は、よく知られているE=mc^2となります。
核分裂によって原子核が２つに分裂すると、それまで陽子と中性子が持っていた運動エネルギーの一部が、原子核全体の運動エネルギーに変わります。原子核全体としての運動エネルギーが増えるということは、温度が上昇するということです。これが原子炉で発生する熱となります。核分裂した後の原子核は、その原子核を作っている陽子と中性子の運動エネルギーが減っているため、原子核としての質量が減ることになります。これが質量欠損です。
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[質問1]
分裂前の原子に対して分裂後生成された原子では、原子核内の陽子と中性子の運動エネルギーが減るのは何故でしょうか？
核分裂生成物は結合エネルギーが強いため、陽子と中性子が動きづらくなるからと解釈してもいいのでしょうか？

[質問2]
下記Wikipediaに、「自由な陽子と中性子を融合させると、その結合エネルギーに相当する約2.2MeVのガンマ線を放出することが知られている。」と記述されています。

これは、結合エネルギーの束縛により減った陽子と中性子の運動エネルギーが、2.2MeVのガンマ線として放出されたと理解してもいいのでしょうか？

質量欠損 - Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E9%87%8F%E6%AC%A0%E6%90%8D

回答No.5

shiara

No.2です。
核子が融合する前の状態として、それぞれの核子が十分離れていて、それぞれの核子はほぼ静止している状態を考えます。このとき、各核子の運動エネルギーはゼロ、ポテンシャルエネルギーもゼロで、トータルのエネルギーもゼロです（核子の静止質量エネルギーは変わらないので、除いて考えます）。これらの核子が引き合って、結合するとします。核子どうしが近づいていくと、ポテンシャルエネルギーは小さくなり（この場合はマイナスに大きくなる）、その分が運動エネルギーになります。全エネルギーは保存するので、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーの和はゼロです。この状態で核子が衝突して核子が融合すると、核子は束縛状態になります。束縛状態とは、全エネルギーがマイナスになるということです。衝突前は全エネルギーはゼロでしたが、束縛状態になるとマイナスになりますから、その差分のエネルギーが放出されます。

お礼

ポテンシャルエネルギーが運動エネルギーに転換されるのは、日常体験する重力と同じなのでよく理解できました。

結合後、エネルギー準位が低い位置に落ち着くという現象をよく理解できてませんが、これは自分で調べて勉強してみます。

その過程で疑問点が出てきたらまた質問しますので、そのときはよろしくお願いします。