ヘリウム 原子。 ヘリウム

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 [ ].

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6.1 ヘリウム原子の Schrödinger 方程式

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.

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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

ヘリウム 原子

325 kPa 0. 5 MPa 0. 19 , 0. 227 MPa 0. 23 1. 67 2. 48 4. 21 原子特性 第1: 2372. 名称 [ ] とが名づけた。 当時、太陽を構成する元素だと考えられたためである。 特徴 [ ] 無色、無臭、無味、無毒(を除く)でもっとも軽い元素である。 すべての元素の中でもっともが低く、加圧下でしかにならない。 ヘリウムは不活性のとして存在する。 また、存在量はに次いで宇宙で2番目に多い。 ヘリウムはのの0. 0005パーセントを占め、やの中にも溶け込んでいる。 とともにごく微量に産出し、や小型の ()として用いられたり、を用の低温素材としたり、大深度へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。 において、ヘリウムはとして存在する。 ヘリウムを固化するには非常に特殊な条件下に置かなければならない。 元素の中でがもっとも低く、標準圧力下では温度を下げてになってものため液体のままであり、固化するにはさらに高い圧力をかける必要がある。 19と非常に低い。 固体ヘリウムはとで必要な圧力が異なり、圧力を調節して体積の30パーセントをコントロールすることができる。 ヘリウムはが非常に高く、密度の高い蒸気となり、部屋の温度が上昇すると素早く膨張する。 固体ヘリウムは1. 5K、2. 5 - 3. 5 という非常に低い温度と高い圧力の下でしか存在できない。 この程度の温度以上になると、を起こしてしまう。 これ以下の温度ではそれぞれ立方体型の分子を作っている。 ヘリウム4の2つの液体状態、ヘリウムIとヘリウムIIは、の研究(現象)において重要で、物質がを帯びるようなに近い超低温で発現する。 用途 [ ] 以下に挙げるようなさまざまな用途に使用されている。 ヘリウムガス ヘリウムはの92. 64パーセントもの浮揚力があり、燃えないため、水素よりも安全なガスとしてなどの浮揚用ガスとして利用され、広告用バルーンや天体観測用気球、軍事用偵察気球などに使用されている。 また、ヘリウム中ではが空気中よりずっと速い(純粋ヘリウム中では秒速約1,000メートル)ため 、ヘリウムを吸入してから発声すると、甲高い音色の奇妙な声が出る()。 これに着目して、いわゆるパーティグッズとしても利用される。 このような市販の「変声」用ガスには、酸欠などになるのを防ぐために酸素が20パーセントほど含まれているが、風船用ガスとの誤用による事故 や吸い過ぎによって嘔吐や意識を失う事故がたびたび発生 しており、その大半は12歳以下の子どもによるものである。 ヘリウムに薬理作用はないが、酸素を混合していないガスの吸引による自殺に使用された例も報告されている。 低温工学 ヘリウムは沸点、融点ともにもっとも低い元素である。 液体ヘリウムはほかの超低温物質よりも低温となり、やなど、に近い環境での研究が必要な分野で冷媒として使用されている。 また、がある。 労働産業 ヘリウムとなどとのはなど、大深度潜水用の呼吸ガスとして用いられる。 ヘリウムはよりも作用が少ないため、などの中毒症状を起こしにくい。 さらにヘリウムは粘度が低いため、高圧下でも呼吸抵抗が小さく、身体からの排泄速度が速い とされている。 しかし特定の条件下では気泡が生じやすく、いったん血管内に気泡が生じた場合は消失しにくいとの報告がある。 欠点としてが高いため、体温調節が難しくなりになる危険がある こと、また空気と比較してはるかに高価であることがある。 ヘリウムと酸素の混合ガスである ヘリオックスと、ヘリウム、酸素、窒素を混合した トライミックスがある。 液体に溶けやすく人体に無害と言う特性もあり、血管内で素早く膨らませたり縮めたりすることで心臓の機能を補助するのバルーンに吹き込む気体として採用されている。 液体ヘリウムは(NMR)や(MRI)の測定装置での冷却に使われている。 その他• の民生用蓄圧式には、の代わりに圧力源として使われている。 などのキャリヤーガスとしても使用される。 液体ヘリウムはロケットの噴射口を守る冷却剤、や結晶の保護材、あるいはの、実験での充満ガス、タンデムの超伝導ブースター などに用いられている。 ヘリウムののひとつであるヘリウム3はの燃料としての利用が考えられている。 しかし、現在熱核融合炉で想定されている温度の領域では、(トリチウム)燃料の場合に比べて核融合反応が起こりにくいうえ、地球上で天然に採取することはほとんど不可能である。 ヘリウムは分子が小さく、きわめて微小な孔にも浸入可能であるため(ヘリウムを詰めた風船が時間が経つと小さくしぼみ、浮力が落ちるのはこのためである)、配管のリーク(漏れ)を高精度でするのに用いられることがある(配管に気体のヘリウムを流してヘリウムリークディテクタで漏れを検知する)。 前述の特徴のほか、化学的に安定で人畜に無害、また大気中にほとんど存在しないため誤検出の心配がないなど、この用途には理想的な物質であるとされている。 しかしわずかな隙間にも侵入するため、潜水艦や減圧室などヘリウムの混合ガスを使用する状態において、防水として設計された時計などの隙間にも侵入し、圧力変化によって腕時計のガラスを吹き飛ばしてしまうことがある。 このため、一部のダイバーズ・ウォッチにはヘリウム・エスケープ・バルブがついており、この機構で内部のヘリウムを自動的に外へ逃がすことができる。 水素に次いで軽い気体であるため、ポンプなどを使って移動させるときに少ないエネルギーで素早く移動させることができる。 歴史 [ ] 発見 [ ] ヘリウム原子の存在を示す最初の証拠は、にの部分を観測した際の波長587. 49ナノメートルの黄色い輝線だった。 これを発見したのは、のでを観察していた人天文学者のだった。 彼は当初、この線はを示すと考えたが、同年に人天文学者がやはり太陽光を分析して黄線を観測し、ナトリウムの記号D 1やD 2に近かったことから、D 3と名づけた。 ヘリウムの 、の物理学者 ()は、山のを分析していた際に、D 3線を見つけた。 これが上で初めてヘリウムの存在を示唆する証拠となった。 、の卿が ()(10パーセント以上のを含む閃ウラン鉱)とを反応させる実験を通じてヘリウムの分離に成功し、地球上で初めて生成した。 ラムゼーはを探していたが、で発生させたガスから窒素やを取り除いた残りをスペクトル分光して調べたところ、太陽光と同じD 3線を発見した。 そしてこれが、ロッキャーやが名づけた「ヘリウム」であると同定した。 実はの地球科学者 ()がラムゼーに先立ち標本の試験を行っている際に変わったスペクトルを見つけていたが、彼はこれをのスペクトルと思い込んでいた。 ヒレブランドはラムゼーに祝辞の手紙を送っている。 原子量を計測できる程度の量は、市でと ()が抽出に成功した。 (との説もある)にとトーマス・ロイズは、新しく見つかったガスをガラス管に詰めてスペクトルを調べようとした際に、粒子が薄いガラス壁を通り抜けることを見つけ、がヘリウムの原子核であることを突き止めた。 にはのがガスを1以下まで冷却し、液化に初めて成功した。 彼はさらに温度を下げて固体を得ようとしたが、常圧のヘリウムはを持たないため、これには失敗した。 しかし、に、オネスの教えを受けたが1立方センチメートルのヘリウム固体化に初めて成功した。 、のは近くまで冷却したがほとんど粘性を持っていないことを発見し、これはと呼ばれた。 には、の、、によって、絶対零度に近い温度域ででも同じ現象が発見された。 産出と利用 [ ] 、アメリカ・ ()で石油掘削のが行われたところ、不燃性のガスが湧き出た。 カンザス在住の地質学者 ()がこれを収集し、ので ()とデイヴィッド・マクファーランドの協力を得て成分解析を行った。 その結果、ガスは質量比で窒素72パーセント、15パーセント(がなかったため燃焼しなかった)、1パーセントと、残り12パーセントの成分は解明できなかった。 さらに解析を進めた結果、キャディとマクファーランドは、1. 84パーセントはヘリウムであることを突き止めた。 これによって、地球全体では希少であるヘリウムがアメリカの地下に大量に存在しており、天然ガスの副産物として入手可能だということが判明した。 ただし化石燃料とは生成の経緯が異なり、長い年月をかけてとがすることによりヘリウムができる。 アメリカのおもなヘリウム含有ガス田は、ほとんどがカンザス州、オクラホマ州、テキサス州西部の地域にある。 この発見によって、アメリカ合衆国は一大ヘリウム供給国となった。 時、 ()の助言を受けて、は3基の実験的な小規模ヘリウム製造設備に投資した。 これは、空気よりも軽く不燃性のガスをに使う目的があった。 これ以前、ヘリウムガスは通算で1立方メートルも得られていなかったが、この計画で生産されたガスは純度92パーセントで5,700立方メートルにのぼり 、に処女航行を行った世界初のヘリウム飛行船C-7(アメリカ海軍)にも使われた。 1968年、ヘリウム発見100周年を記念してテキサス州アマリロに造られた。 第一次世界大戦中、抽出方法は低温によるガスの液化法からそれほど改良されなかったが、生産は続けられた。 当初は飛行船などの浮揚ガス需要が中心だったが、中にはそれに加え用の需要が拡大した。 ()もを製造するで用いられた。 、では「 ()」を開始した。 これは、民間の商用や戦時の軍用目的の飛行船へ供給体制を備えることを目的とした「連邦によるヘリウムの的」である。 アメリカ軍はへのヘリウム輸出を制限したが、これが水素を用いざるをえなくなったのの遠因となった。 大戦後にヘリウム需要は縮小したが、に入ると、やを背景とした用などへ酸素や水素の冷却用として、ヘリウムの用途は広がった。 、アメリカのヘリウム消費量は戦時中の最大量の8倍にもなった。 「ヘリウム条例1960修正条項(Public Law 86—777)」発布後、 ()(USBM)は、 ()にある複数の民間所有ガス精製工場から天然ガス中のヘリウム回収を始め、これを延長684キロのパイプラインで近郊のクリフサイドにある国家備蓄基地へ集約した。 これらのヘリウム-窒素混合ガスはクリフサイド周辺のガス田に再注入され、純度向上と貯蔵を両立させた。 段階で、アメリカのヘリウム備蓄量は10億立方メートル (14億ドル相当)に達し、翌年には貯蔵増の停止と 、「ヘリウム民営化条例1996(Public Law 104—273)」を採決して、までに備蓄ヘリウムをすべて販売することをに命じた。 ただし、備蓄分の売り切りはと予想される。 からにかけて生産され、飛行船に使われたヘリウムの純度は98. 3パーセントであった。 1945年には純度99. 9パーセントのヘリウムが溶接用に少々製造された。 までにヘリウムはグレードA(99. 95パーセント)まで商用生産が実現した。 工業用ヘリウムの需要は急増している。 長い間、アメリカは全世界の商用ヘリウム生産量90パーセント以上を担ってきた。 そのほかには、、などでも生産された。 中ごろ、の ()にて、全ヨーロッパの需要量をまかなう1,700万立方メートルの新工場が稼動を開始した。 までにアメリカのヘリウム総需要は年間1,500万キロまで増加したが 、からにかけてのラス・ラファンとアルジェリアのでそれぞれ新工場の建設が行われた。 段階で、ラス・ラファンは稼動率50パーセント、スキクダは未稼働の状態にある。 しかし、アルジェリアはスキクダでの生産が始まれば、世界2位の供給国となる。 その一方で、世界的なヘリウム需要は価格とともに上昇し 、2007年の消費量は2002年比倍増となった。 需給バランスの変動により、将来は深刻なヘリウム不足と価格高騰が予測される。 には、世界的なヘリウム供給不足が発生した。 原因は、アメリカでの設備トラブル、新興国での需要増などが考えられている。 このため、では2012年からパーク内でのヘリウム風船の販売を休止した。 12月、のが世界最大級の年産3,680万立方メートルの生産設備を稼動させた。 日本は全量を輸入に頼っているが、の貿易統計では近年の日本の輸入量は年間2,000トン前後。 2012年、2013年にはアメリカの生産減で品不足となったが、これを補うためにほかからの輸入が増えている。 2013年は全輸入量1,902トン中、米国からが1,747トン(シェア91. 8パーセント)、カタールからが121トン(6. 4パーセント)、その他からが34トン(2. 8パーセント)であったが、2014年に入りカタールのシェアが急増している。 アメリカの生産減はヘリウムをほぼ含まないの開発が進んでいるためとされる。 輸入価格の上昇はアメリカのヘリウム国家備蓄が2021年の民営化を目指し残った備蓄を払い下げた際、1社が買い占めたたことで輸入が難しくなったことや、中東の政治情勢によりカタールからの輸入コストが上昇したこと、中国の需要増加などが要因とされる。 で大規模なヘリウムガス田が発見されたと報道された。 世界全体の生産量はアメリカ(約60%)とカタール(約30%)でありほぼ2国で需要をまかなっているが、ロシアのが極東での生産を計画しているほか、カタールやアルジェリアでも新工場の建設が進んでいることもあり、将来的には複数国での生産に移行すると予測されている• 詳細は「」を参照 天然に存在するヘリウムのには、2つと1つからなる「」と、陽子2つと中性子2つからなる「」の2種類がある。 ヘリウム3は、地球の大気中においてはヘリウム4に対して100万分の1の量しか存在しないため 、原子炉で生成されたものが利用される。 原子炉内でに中性子を照射するととヘリウム4ができ、この三重水素が(半減期12. 5年)してヘリウム3となる。 それだけではなく、人工的に作られた同位体としては、ヘリウム6、ヘリウム8、ヘリウム10などがある。 ヘリウムの同位体を用いた地球化学的な応用は大きく分けて2つある。 まず、ヘリウム3をとして用い、地球物質の循環を探ることである。 (2004年3月24日時点の), in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press. 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