核融合とプラズマ

核融合と関係が深い「プラズマ」とは何かを解説(NF.1-3話)

この記事では、核融合と関係が深い、「プラズマ」というものについて理解しやすく解説をしたいと思います。

1つ前のF1-2話では、核融合の条件として、高い温度と圧力(超密集状態)が必要と説明しました。また、その程度は、太陽の中心部並みが必要です。太陽の場合は、中心部が約1600万度。そして、地球の約33万倍の重さが、圧力として中心部にのしかかると説明しました。

ところで、約1600万度のように、私たちが普段体感しない 超高温状態では、物質はすべてプラズマ状態になります。プラズマ状態とは、実は、物質の3態である固体・液体・気体に続く、物質の第4の状態です。そのため、この記事では、プラズマとは一体どのようなものかを解説します。

目次

  1. 物質の三態とは
  2. 状態変化には、4態目がある
  3. プラズマ状態とは?
  4. 原子核と電子が離れたり、戻ったりを繰り返すと何が起こるか?
  5. 私たちの身の回りのプラズマ
  6. 核融合とプラズマ
  7. まとめ

核融合と関係が深い
「プラズマ」とは何か(NF.1-3話)

物質の三態とは

プラズマ状態を説明する前にまずは「物質の三態(さんたい)」について説明します。「物質の三態」は、小中学校で習ったことがある事なので、難しいことではありませんよ。 

物質の三態とは、固体・液体・気体のことです。 

これは、ほとんどの物質で、この3つの状態が存在するということです(例外もありますが )。

例えば水です 。水の場合、固体は氷、液体は水、気体は水蒸気です 。
そして皆さんが知っているように、氷は0℃以上になると水になり、水は100℃以上になると水蒸気になります 。

物質の三態

このように、温度が高くなるにつれて、物質というのは固体→液体→気体と状態を変化させていきます。これを、物質の三態と言ったり、状態変化と言ったりします。

そしてもちろん、金属のような室温では硬い固体の物質でも、温度を上げれば液体、そして気体になります。ただ、物質によって状態変化する温度は様々です。

状態変化には、4態目がある

「物質の三態」は、小中学校で習ったことがある事、と先に説明しました。

しかしながら、実は、物質には、第4の状態があります。
それは、気体の温度をさらに上げたときになる、「プラズマ」の状態なのです。

これは、小中高では学習しませんが、大学の一部専門学生が学習する知識です。

核融合を学習するためのプラズマ・真空放電

画像引用元: 国立教育政策研究所 理科ねっとわーく マルチメディアで見る原子・分子の世界

プラズマ状態とは?

原子は、温度が高くなれば高くなるほど、動きが活発になり、速い速度で動くようになります。そのため、温度が高くなればなるほど、固体→液体→気体→プラズマという活発に動きやすい状態に変化していきます。

それぞれの状態について、原子レベルの動きを図も使って解説します。

核融合を学ぶための原子の動きと物質の三態

  • 固体状態では、原子たちが固まって動きません。
  • 液体状態では、原子は動けますが、あくまで液体の中を漂うだけです。
  • 気体状態になると、原子の動きが活発になって空気中を動き回れるようになります。
  • 固体・液体・気体では、原子中の原子核と電子は、離れずにいます。

ではプラズマ状態とはどのような状態でしょうか。

気体状態となった原子や分子をさらに高温にすると、プラズマ状態になります。

プラズマ状態も気体と同じように空気中を動き回れますが、プラズマ状態が気体と違うのは、原子の原子核と電子が離れて動くようになることです。

プラズマ状態とは?続き

プラズマ状態の物質は、温度が非常に高いです。そのため、原子核も動きが活発ですが、原子核とセットで動いていた電子も活発になるので、電子は原子核から離れて動くようになります。

ただ、実際には、プラズマ状態で電子はずっと原子核から離れるわけではなく、時々原子核の近くに戻ったりもしています。離れたり、戻ったりを繰り返すようになるのです。

核融合を学ぶためのプラズマ状態での原子核・電子の動き

電子が原子核と離れたり、戻ったりを繰り返すと何が起こるか?

原子核と電子が離れたり、戻ったりを繰り返すとき、実は光が放出されます。

原子核の周りを飛び出し、活発に動き回っていた電子が、再び原子核の周りに戻って落ち着こうとするとき、活発なときに持っていたエネルギーを光に換えて捨てるためです。

そのため、プラズマ状態や、プラズマ状態になりかけの物質は、光るのです。

核融合プラズマの原子核と電子の状態

私たちの身の回りのプラズマ

基本的に、プラズマは光るという分かりやすい性質があるため、私たちの身の回りでも見つけやすいです。

例えば、蛍光灯やネオン管の中では、プラズマ状態が使われています。また、オーロラや太陽もプラズマです。また、火や炎は、完全なプラズマではありませんが、プラズマになりかけの状態です。

プラズマと蛍光灯・ネオン管

プラズマとオーロラ

核融合とプラズマ

物質は、高温になるとプラズマ状態になります。
一方、核融合は、物質がプラズマ状態になる温度より、さらに高温で起こります。

核融合を地球上で人工的に起こすならば、プラズマ状態を作りだして起こすことになります。
太陽が良例です。太陽は、水素とヘリウムの巨大プラズマですが、その中で核融合が起きています。

ところで、核融合で必要な条件について、前の記事:核融合の条件で説明しましたが、高い温度・高い圧力(密集状態)が必要です。

つまり、人工的に核融合を起そうとするならば、高温・高圧のプラズマを、長時間作り続ける必要があるのです。

核融合を起こす太陽は、高温・高圧のプラズマ.jpg
核融合を起こす太陽は、高温・高圧のプラズマ

まとめ

物質には、固体→液体→気体に続く、第4の状態 プラズマがある。気体状態となった原子や分子をさらに高温にすると、プラズマ状態になる。

プラズマ状態では、電子が原子核と離れたり戻ったりを繰り返す。このとき、光が放出される。

人工的に核融合を起そうとするならば、高温・高圧のプラズマを、長時間作り続ける必要がある