ヘリウム 原子。 ヘリウムってどんな物質?身近な例とともに化学系学生ライターがわかりやすく解説

6.2 変分法

ヘリウム 原子

2 変分法 6. 1 6. 1 の Z は核電荷であり,ヘリウムイオンでは 2 である。 2電子系であるヘリウム原子の計算では,水素類似原子の波動関数が利用できるように,ヘリウム原子の基底状態の波動関数を 各々の電子の 1s 波動関数( 一電子波動関数)の積とする。 これは,片方の電子の状態は他方の電子の運動に影響されないという近似である(相手電子がどこにあろうと電子状態は変わらないとする)。 2 ただし,電子に作用する核電荷( 有効核電荷)はもう1つの電子の存在によって常に2より小さくなると考えられるので,その平均的な核電荷を Z' とおくことにする。 Z' を調節可能なパラメータとし,変分法により決定する。 一般に,エネルギーが最小となるようにパラメータを決定したときの波動関数はそのパラメータ空間内で最も近似が高いという「 変分原理」が成り立つことが知られている。 まず,エネルギー E を Z' の関数として求める。 2 で表されるヘリウム原子の Hamiltonian H を, 6. 5 の Z を Z' に置き換えた一電子 Hamiltonian 6. 3 を用いて書き直すと, 6. 4 となるので,エネルギー E は 6. 5 と書ける。 5 2行目第1項については, の固有関数が ,すなわち 6. 6 ただし, (水素原子の 1s エネルギー) 6. 7 が成立し, 6. 8 であるので, 6. 9 である。 5 2行目第2項の積分は, 6. 10 6. 11 となる。 5 2行目第3項は, 6. 12 となる。 なお,ここでは, 6. 13 の式を用いている(解法は省略)。 以上をまとめると,エネルギー E は 6. 14 となる。 E が最小となるための条件 6. 15 より, Z' についての式 6. 16 が得られる。 以上の結果は,ヘリウム原子の基底状態の波動関数を 6. 6875 を用いると最良の結果が得られることを示している。 16 を 6. 14 に代入して 6. 17 を得る。 この計算値は -77. 51 eVで,測定値 -79. 006 eV に近い。 Revised: 2007-07-23.

次の

6.1 ヘリウム原子の Schrödinger 方程式

ヘリウム 原子

解説 [ ] 1920年代及び30年代に、に代表される粒子加速器の研究に従事していた物理学者たちは、(原子核)や他の軽い核に高いエネルギー(数keV)を与え入射粒子として加速し、標的となっている軽い核に当てると、核の電気的反発力や核力によって入射粒子は破壊を伴いながら、標的と融合し大きなエネルギーが解放されること、すなわち 核融合反応 nuclear fusion を発見していた。 しかしながら、による核融合反応では、少数の核融合物を作るために大量のエネルギーが使用されなくてはならず、もし実用に供するような連続的な核融合反応を起こすのであれば摂氏数億度もの高温が必要となることから、以後に発見されたほどには当初は着目されなかった。 上記の摂氏数億度の高温を用いる核融合は特に 熱核反応 thermonuclear reaction と呼ばれるが、熱核反応の燃料としては、原子核の荷電が小さく原子核同士が接近しやすい軽い核種で反応自体も速いといった理由からやといったの重い同位体が理想的と言われる。 融合の種類によっては融合の結果放出されるエネルギー量が多いことから、などのに用いられる。 また平和利用目的としてによるエネルギー利用も研究されている。 に比べて、反応を起こすために必要な温度・圧力が高いため技術的な条件が高く、現在のところ、水素爆弾は核分裂反応を利用して起爆する必要があり、核融合炉は高温高圧によって発生する反応を封じ込める為の技術開発が困難を極めている。 核融合の種類 [ ]• 熱核融合 - 超高温により起こる核融合。 本項で詳説する。 衝突核融合 - 原子核を直接に衝突させて起こす核融合。 原子核の研究において使用される。 スピン偏極核融合 - とののパラメータ(スピン)を制御する事により核融合反応を制御する。 ピクノ核融合 - 非常に高密度の星()の内部で起こっていると考えられている核融合反応。 電子が原子核のを強く遮断して、低温の状態でもによるにより核融合が起こる。 - 負ミューオンは電子と電荷は同じだが約200倍の質量を持つので束縛軌道半径が約200分の1である。 そのため、電子を負ミューオンに置き換えると原子核同士が接近しやすくなり核融合が起こりやすくなる。 負ミューオンは消滅までに何度もこの反応に関与できるのであたかも触媒のように作用する。 融合 - 6種類(アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、トップ、ボトム)のクォーク 原子核・・などを構成する どうしが結合、など複合粒子を構成する際に放出されるエネルギー。 230MeVのエネルギーで発生したボトムクォーク2個の融合時には138MeV(で生成される17. 6MeVと比較すれば約8倍のエネルギー量)の余剰エネルギー(与えたエネルギーより多くのエネルギー)が放出され、残りはより軽いクォークからなるバリオンに変化することが突き止められた。 ボトムクォーク2個で融合した実証結果では、230MeVの出力から368MeVが放出、138MeVの余剰エネルギーが得られた。 しかし、エネルギーの放出時間はわずかに1ピコ秒(1兆分の1秒。 ピコセカンドとも呼び、「ps」と表記する。 1ピコ秒間に、光は真空中を約0. 3mm進む ほどしかなく、のような連鎖的な反応を引き起こすには至らないことが判明した。 - 室温で核融合が起こるとされた実験報告がなされた。 これは過去には()に利用されている。 この反応によって放出されるエネルギーは同じ質量のウランによる核分裂反応のおよそ4. 5倍、石油を燃やして得られるエネルギーの8000万倍に達する。 核融合炉で使用される核融合反応として、最も早く実用化が見込まれている。 恒星での反応 [ ] などの生み出す様々なエネルギーも、基本的には核融合によるものである。 最初に起こるのは、比較的起こりやすい、2つの D が反応する(工学ではD-D反応と呼ぶことも多い)である。 重水素核融合を起こした天体をと呼ぶ。 中心の温度が約1,000万Kを超えると(ちなみにの中心は1,500万K)、以下に述べるようなを起こし、恒星と呼ばれる。 陽子-陽子連鎖反応 [ ] 次の、軽水素(陽子、p)どうしが直接反応する水素核融合を、、p-pチェインなどと呼ぶ。 一般に核融合といえばこの反応を指すことが多く、太陽で主に起こっている核融合反応である。 普通、4つの水素原子から1つのヘリウム4が生成されると説明されるが、一度の反応でヘリウムが出来るわけではなく何段階かの反応をへる• CNOサイクル [ ] 次の、 C ・ N ・ O をとした水素核融合を、と呼ぶ。 星の中心温度が約2,000万Kを超えると、p-pチェインよりCNOサイクルのほうが優勢になり、その化学反応が活発になる。 また b および c では 13Nや 14Oがそれぞれ、する前に次の段階へと進む。 ヘリウム燃焼 [ ] 恒星の中心核に充分な量のヘリウムが蓄積された場合に起こる反応が、ヘリウム燃焼である。 水素原子核の核融合の後に残ったは恒星の中心に沈殿し、により収縮して中心核の温度が上がる。 約1億K程度になると3つのヘリウム原子核がを起こし、が生成され始める。 炭素より重い元素の燃焼 [ ] ケイ素の燃焼まで進行した恒星の断面図 中心温度が15億 Kを超えると、炭素も核融合を始める()。 さらに恒星が十分な質量を持っていれば、、、を経て安定した56(最も安定な核種はニッケル62。 詳細は参照)が作られ、中心での核融合反応は終了する。 星は内側から、鉄 Fe の核、ケイ素 Si の球殻、酸素 O の球殻、ネオン Ne の球殻、炭素 C の球殻、ヘリウム He の球殻、水素 H の 最外層からなる、所謂タマネギ状の構造へと形成され、中心以外の各層で核融合が進行する。 超新星爆発 [ ] 中心温度が100億 Kを超えると、黒体放射の光子のエネルギーが核子の結合エネルギーと同程度になるため、が起こる。 圧力が下がると星は収縮するが、収縮により温度が上がって光分解が進む。 繰り返されるこの過程により恒星はする。 中心部に物質が落下し、原子核に電子が取り込まれて陽子がニュートリノを放出して中性子が出来る。 中心に中性子の塊が出来、自身の縮退圧で支えられるようになると、外層から落下してきた物体は中性子の塊の表面で跳ね返され、爆発を起こす。 最近の研究によると鉄より重い元素の約半数は、超新星爆発のときの核融合で作られ、残り半数はで作られる。 なお、この時に残った中性子の塊はとなる。 もし中性子の塊が自身の縮退圧で支えられない状況になると、になる。 超新星爆発で中性子星が残らない場合の状態を探る研究も行われている。 脚注 [ ].

次の

説明できますか? 「ヘリウム分子」が存在しない理由(平山 令明)

ヘリウム 原子

ヘリウム 元素記号He,原子番号2 の物理特性• 相: 気体• 325 kPa 0. 融点: at 2. 5 MPa 0. 沸点: 4. 臨界点: 5. 19 K, 0. 227 MPa• 融解熱: 0. 蒸発熱: 0. 蒸気圧: 100 Pa 1. 21 K.

次の