素粒子のヒミツ - コズミックフロントΩ

《 初回公開:2022/11/17 , 最終更新:未 》

NHK EテレのコズミックフロントΩという番組の素粒子のヒミツというテーマ。
忘れないように、キーワードをメモ紙して、ネットでググって。

【 目次 】

物質 素粒子 細胞

原子
電子と原子核
原子核
    陽子と中性子
    素粒子
        17種類
        原子核は3種類の素粒子からできている
        アップクォーク ダウンクォーク

原子 元素

原子番号=元素の陽子の個数で、陽子の個数=電子の個数 同位体(アイソトープ)とは、陽子の数は同じだが、中性子の数が異なるもの。

すべての物質は、非常に小さい粒子が集まってできている。物質を構成する基本的な粒子を原子という。
原子は正の電荷を持つ原子核と、負の電荷を持つ電子でできている。
さらに、原子核は正の電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子でできている。
原子核のもつ陽子の数を原子番号という。
また、陽子と中性子の数の合計を質量数という。

物質中には異なった数の陽子を持つ原子が存在しているが、同じ数の陽子を持つ(つまり同じ原子番号の)原子は、同じ元素であるという。
元素は物質を構成する基本的な成分で、2010年現在で117種類(うち5種類は名称未決定)が知られている。
異なる数の陽子を持つ原子は異なる元素であり、たとえば、陽子の数が1個では水素(原子番号1番)、2個ではヘリウム(原子番号2番)、6個では炭素(原子番号6番)という。
質量数235のウランと238のウランのように、質量数が違っても陽子の数が同じ(原子番号92番)なら同じ元素である。
元素を原子番号順に並べると、化学的な性質が似ている元素が繰り返しあらわれる。似た性質を持つ元素が縦の列に並ぶように元素を配置した表が周期表である。

原子とは物質をつくる最も小さい粒子。
でもその種類を表す記号は元素記号・・・。
原子と元素って何が違うのでしょうか。
...
原子は100種類以上存在します。
周期表では順番に
水素・ヘリウム・リチウム・ベリリウム・ホウ素・炭素・窒素・・・
...
原子番号=陽子の個数 ちなみに原子においては、陽子の個数=電子の個数

実は中性子の数は同じ種類の原子でも異なる場合があります。
例えば水素原子。

水素原子には3種類あります。
①中性子の数が0個のもの
②中性子の数が1個のもの
③中性子の数が2個のもの

これら①~③はどれも同じ水素原子であり、性質は変わりません。
しかし質量は少しずつ違ってきます。

このように陽子の数は同じだけど、中性子の数が異なるものを同位体(別名:アイソトープ)といいます。
同位体には安定したものと不安定なもの(=放射性同位体)があります。 ... 一方でどちらも「炭素」という種類は同じ。
このように種類を表す言葉を元素といいます。

原子・・・1個1個のとても小さな粒のこと。
元素・・・原子の種類のこと。

原子と元素の違いがわかりずらい。

原子も元素も、物質を構成する最小単位を意味する言葉として使われる場合が多いでしょう。例えば、「どんな物質も原子という最小単位で構成されている」「アルミニウムという金属はAlで表される元素から成り立っている」のように。
...
原子とは物質を構成する際に基本となる粒子を意味します。物質の最小単位という言い方をすることもありますね。身のまわりのものをどんどん小さい単位で見ていった場合、最後に残るのがこの原子ということです。
...
、全ては原子から成り立っています。この1つ1つ全てが原子というわけです。
...
質量数は先述したように陽子と中性子の数の和を示したもの

原子量は質量数12の炭素 C の質量を12としたときの相対質量です。しかし実際に炭素の項目には12.01とありますね。これは水素のように、炭素も同位体が存在するからです。
質量数12の炭素が約98.9%であるものの、質量数13のものが約1.1%と質量数14のものがごく微量に存在しています。このことから、炭素の質量数の期待値として12.01という数値が出てくるというわけです。

・原子:物質を構成する際に基本となる粒子
元素:原子の種類を表すもの
・原子には電子(-)、陽子(+)、中性子が存在する
・原子番号=陽子数=電子数
中性子数=質量数-原子番号
・同じ原子でも中性子数が異なるものを同位体という
・原子量は質量数12の炭素 C の質量を12としたときの相対質量

アップクォーク ダウンクォーク

世界は3つの素粒子でできている。
それは電子とアップクォークとダウンクォーク。

陽子はアップクォーク2個とダウンクォーク1個
中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個

世界に存在するあらゆる物理的存在は、その究極の構成単位である
17種類の素粒子によって構成されていて、

クォークとは

陽子と中性子およびそれらの間に交換されるπ中間子などは素粒子と呼ばれ,従来はこれ以上分割することのできない究極の粒子と考えられてきた。しかし,新しい素粒子が次々と発見されてその数が増えるとともに,M.ゲル・マン,G.ツワイクはこれらの粒子も複合体であり,さらに小さいクォークと呼ばれる超素粒子で構成されているとする説(クォーク説)を提唱した。現在までにクォークには6種類のものがあると考えられている。
...
クォークは直ちに中間子などに転化し,単独の粒子としては存在しないと考えられる。すなわちクォークは素粒子の内部には存在するが,外には出てこない。これをクォークの閉込めという。6種類のうち,トップクォークのみが実験的に確認されていなかったが,1994年,日・米・伊を中心とする共同研究グループが米国のフェルミ国立加速器研究所で確認した。
...
物質の構成要素。強い力に感じる。「色」という性質を持っている。6種類あると考えられており,軽いものから順に,アップ,ダウン,ストレンジ,チャーム,ボトム,トップと呼ばれている。単体では存在せずハドロンを形作っていると考えられている。
...
すべての強い相互作用をする素粒子はいくつかのクォークからできていると考えられるようになった。

素粒子

現代物理学の標準理論(Standard Model、通称SM)においては、 以下の17種類の素粒子によって 世界に存在するするあらゆる物理的存在が構成されることになります。

その17種類の素粒子とは、すなわち、

アップクォーク、チャームクォーク、トップクォーク、 ダウンクォーク、ストレンジクォーク、ボトムクォーク、

電子、ミュー粒子、タウ粒子、 電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ

光子、Wボソン、Zボソン、グルーオン そして、ヒッグス粒子

という全部で17の粒子です。

反粒子 相対性理論と量子力学の融合

素粒子とりんご

全宇宙の素粒子の隙間を隙間なくうめたらリンゴ1個ぶんにも満たないらしい。
リンゴ1個はなにかと基準にされるらしくて

宇宙は数学の言葉で書かれている

ポールディラック 相対性理論と量子力学の融合

ディラック方程式

反粒子 対消滅 反水素 陽電子

反粒子(反物質)が作られるとき、ペアになる通常の粒子(通常の物質)も同時に生成されます。つまり、物質と同じ数だけの反物質が存在しているということです。
...
なぜ存在しないのでしょうか。それは反物質が、ペアとなる通常の物質に触れると「対消滅」という現象を起こして消えてしまうからです。この宇宙には、通常の物質がたくさんありますから、反物質が生まれたとしてもすぐに対消滅を起こして、なくなってしまうわけです。
...
反物質、反粒子が存在するとされたきっかけは「ディラック方程式」という数式でした。ディラックが考えた波動方程式(これがディラック方程式と呼ばれるもの)を解いていくと、「電子と正反対の特徴を持つ未知の物質がある」と推測されたのです。
...
宇宙が誕生した直後、大量の物質と反物質が作られた。そして物質と反物質はお互いにぶつかりあい、対消滅して消えた。しかし、そこに何らかの「わずかなゆらぎ」が起こり、10億分の1程度の比率で物質のほうが多くなった。そのため、対消滅した後も10億分の1程度の物質が残ることになり、星や銀河が作られた。

今では、素粒子を記述する相対論的量子場理論の必然的な帰結として、全ての素粒子が、それと同じ質量を持ち、電荷のような符号を持つ(加算的)量子数が正負反対であるような反粒子の相棒を持つことが分かっています(符号を持つ量子数を持たない粒子の場合は、自分自身が自分自身の反粒子だとみなせます)。相対論的量子場理論が描く素粒子の世界は、以下に説明するように、粒子と反粒子が次々と生まれたり消えたりしながら移り変わっていくとてもダイナミックな世界です。
...
粒子と、反粒子が出会うと、量子数が正と負で打ち消しあってゼロになり、真空と同じ状態になります。そしてそこには、もともと粒子と反粒子が持っていたエネルギーが残ります。これを対消滅といいます。

陽電子の発見

カールアンダーソン 霧箱

ロバート・ミリカンの指導のもとで宇宙線の研究を始めた。その過程で、撮影した霧箱の写真に予想外の粒子の痕跡が写っているのを発見し、電子と同じ質量で逆の電荷を持つ粒子が作り出したものだと解釈した。この発見は1932年に発表され、他の研究者によっても確認されたことで、陽電子の存在を予測したポール・ディラックの理論を裏付けるものとなった。

アンドレイサハロフ 素粒子のズレ

宇宙誕生直後には、粒子と反粒子が混然一体となって対生成と対消滅を繰り返していたと考えられています。 宇宙の膨張と共に温度が下がってくると、対生成の頻度は少なくなってくるので、対消滅で宇宙は次第にからっぽになっていくはずです。 確かにほとんどの粒子と反粒子は消滅してしまったようですが、現在の宇宙には粒子だけが残って、自然状態で存在する反粒子は見当たりません。 標準的なビックバン理論で計算してみると、どうも10億分の2ぐらいだけ粒子のほうが反粒子よりも多くあったようなのです。

これはどういうことでしょうか? この謎は「消えた反物質の謎」と呼ばれています。

1967年にソビエト連邦(当時)の物理学者アンドレイ・サハロフさんは、宇宙進化の過程で物質と反物質のあいだに差が生ずるための条件を考察しました。

アンドレイ・サハロフは「ソ連水爆の父」という一面も

原子の話をしていて、確か高校の物理の時間に習ったエネルギー準位について思い出した。

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