核融合のエネルギーの値を求める問題の解説（2017年センター試験本試物理第6問問3改題）

（１）解説授業動画

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（２）解説授業の原稿

エネルギーの値を求める問題は基準を決める

エネルギ－の値の求め方を核融合の問題を使って解説します。

物理や化学においてエネルギ－の値を求める問題は基準を決めて考えましょう。

熱化学方程式の解法①（エネルギー図を使った解法の解説、生成熱を扱った問題の解法）

例題：核融合反応

実際に例題で確認してみます。

例えばこのような反応があり、この反応で放出あるいは吸収されるエネルギ－の値を求めています。ただし、質量数3のヘリウムの結合エネルギ－は7.7MeVとし、質量数4のヘリウムの結合エネルギ－は28.3MeVとします。

ちなみにこの反応は太陽の中心部で起きている核融合の最終段階の反応の1つです。

また、MeVはメガエレクトロンボルトあるいはメガ電子ボルトと読みます。eV（エレクトロンボルトあるいは電子ボルト）とは、電子1個が1ボルトの電位差を移動して得るエネルギ－のことです。そして「メガ」なので、MeVはこのエネルギ－の100万倍ということになります。

それでは、この反応によって放出あるいは吸収されるエネルギ－の値を考えてみましょう。

エネルギーの値を求める問題の解法の流れ

問題を解く前に、エネルギ－の値を求める問題の解法の流れを確認します。

①最初に、基準を決めます。
②その次に、エネルギ－図をかきます。そして、左辺と右辺のそれぞれのエネルギ－の位置をエネルギ－図にかきます。
③その位置を確認しながら、左辺のエネルギ－と右辺のエネルギ－の差を求めます。

基本的にこの流れで解くことになります。

熱化学方程式の解法①（エネルギー図を使った解法の解説、生成熱を扱った問題の解法）

①基準を決める

まずは基準を決めます。

核融合のエネルギ－を考えるときは、核子がばらばらの状態を基準とします。

②-1：エネルギー図に左辺の位置をかく

そして、核子がばらばらの状態を0とすると、質量数3のヘリウムの位置は－7.7の位置にきます。

なぜマイナスになるのかというと、そもそも結合エネルギ－とは核子をばらばらにするのに必要なエネルギ－のことだからです。

つまり質量数3のヘリウムでいえば、2個の陽子と1個の中性子が結合して原子核をつくっている状態に7.7MeVのエネルギ－を与えてやっと核子がばらばらになるのです。ということは核子が結合している状態が下で、核子がばらばらの状態が上ということになるので、核子が結合している状態は、ばらばらの状態を0とするとマイナスとなるのです。

熱化学方程式の解法②（蒸発熱の扱い方、結合エネルギーを扱った問題の解法）

これで質量数3のヘリウムのエネルギ－の位置がわかったので、左辺のエネルギ－の位置を考えてみると、左辺は質量数3のヘリウムが2つなので－7.7×2=15.4となります。

②-2：エネルギー図に右辺の位置をかく

続いて右辺のエネルギ－の位置を考えてみます。

まず質量数4のヘリウムのエネルギ－の位置を考えてみます。質量数4のヘリウムの結合エネルギ－が28.3MeV なので、核子がばらばらの状態を0としたときは－28.3の位置になります。

そして次に、質量数1の水素のエネルギ－を考えてみます。

先に結論から言えば、質量数1の水素のエネルギ－は核子をばらばらの状態を0としたときは、0となります。そのため右辺のエネルギ－の位置はこの－28.3の位置となります。

なぜ質量数1の水素のエネルギ－が0となるかというと、水素は原子番号が1なので陽子を1個持っています。そして、質量数が1ということは陽子1個だけで中性子を持っていないということになります。つまり核子は陽子1個しか持っておらず、そもそも核子が結合していない状態なので、核子がばらばらの状態と同じエネルギ－の位置にあるということになります。