原子はどこから来るのか？質量保存則の謎を解き明かす

概要

質量保存則は、孤立した系内で物質とエネルギーが創造または破壊されないことを核心にしています。宇宙自体もこの法則に従いますが、炭素、酸素、水素などの単純な原子を用いたような小さなスケールでこの法則を見るのが最適です。これらの原子は、二酸化炭素や水のようなお馴染みの分子に結合することができます。これらの分子にエネルギーを加えることで、その配列を変え、異なる化合物を作ることができます。しかしながら、同じ数と種類の原子が残り、つまり質量が保存されることを意味します。実は、私たちを含めたすべての物質を構成する原子は、星や超新星での核反応から生じ、これらの元素が宇宙空間に散らばり、最終的に惑星やそれらに生息するすべてのものを形成するまでに結合するのです。

質量保存則はどのように機能するのか？
原子はどこから来るのか？
星や超新星内の原子が重い元素を作り出す方法は？
質量保存則にもかかわらず、重い元素を作り出すプロセスはなぜエネルギーを放出するのか？
超新星からの原子がどのようにして私たちの惑星やそれに存在するすべてのものを形成したのか？

はじめに

宇宙の内部構造について興味を持つことは、誰しも一度はあるでしょう。私たちが日々接するすべてのもの、足元の岩から呼吸している空気まで、それらがすべて宇宙から成り立っているためです。しかし、物質の基本的な構成要素である炭素、酸素、水素などの原子は、どこから来るのでしょうか？さらに、孤立した系内で物質とエネルギーが創造または破壊されないことを示す質量保存則は、私たちが見るすべてのものの創造と存在を可能にするのですが、どのようにしてこれが実現されるのでしょうか？このQ&Aでは、これらの疑問に答え、原子の起源を解明します。

質量保存則はどのように機能するのか？

質量保存則は、孤立した系内で物質とエネルギーが創造または破壊されないことを示しています。孤立した系は、物質とエネルギーが交差しない境界によって定義されます。物質とエネルギーを指す質量は、別の形に変換されることができます。簡単に言えば、一定量の物質とエネルギーから始めると、同じ量の物質とエネルギーが残りますが、その形は異なる場合があります。

原子はどこから来るのか？

私たちが知っているような原子の形成は、宇宙の始まりを示す爆発的なビッグバンに始まります。宇宙で最も豊富な元素である水素は、ビッグバンの3分後に高エネルギーの粒子のスープから形成されました。やがて、水素を含む原子の集団が形成され、星が誕生しました。これらの星の内部で、水素やヘリウムなどの軽い元素が核反応で融合し、炭素や酸素などの重い元素が形成されました。これらの反応が起こると、重い元素が形成されるにつれて、合計質量は常に保存されます。

星や超新星内の原子が重い元素を作り出す方法は？

星の内部で軽い元素が融合することで、重い元素が作られる、核合成と呼ばれるプロセスが発生します。これは、星の内部で水素やヘリウムが圧縮され、極端な熱と圧力が発生し、原子核が結合して炭素や酸素などの重い元素が形成されるというものです。しかし、最も重い元素はこのプロセスでは作られません。最も極端な環境、つまり星が超新星になる場合にのみ作られます。超新星では、爆発によって星がこれまでに発生したエネルギーよりも多くのエネルギーが放出され、金や銀などの重い元素が融合します。