元素の起源(読み)げんそのきげん(英語表記)origin of elements

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

元素の起源
げんそのきげん
origin of elements

自然界には 90種をこえる元素が存在し,約 280種の安定な核種が見出されている。これらの元素の起源は 1948年 G.ガモフらによって初めて本格的に研究された。彼らは宇宙が膨張を始めた最初の 20分間の高温度・高密度状態で陽子と中性子から出発してすべての元素が合成されたと主張 (αβγ理論 ) したが,質量数5と8の安定な核種が存在しないので,彼らの説ではヘリウムより重い元素が合成されることを説明するのに無理があった。その後,恒星進化論の発展を受けて,57年 G.M.バービッジ,E.M.バービッジ,W.A.ファウラー,F.ホイルの4人と A.G.W.キャメロンとが別々に,ヘリウムより重い元素は恒星内部での熱核反応で合成されると主張した。天体観測と原子核物理学の進歩や大型計算機の利用により,今日ではほとんどすべての核種の生成過程が明らかにされている。恒星の進化の各段階に,それぞれ異なった元素合成過程が起る。星が誕生し,やがて主系列に達すると,その中心部でp-p連鎖またはC-Nサイクルによって水素からヘリウム4が合成される。中心部の水素が消費しつくされると星は赤色巨星になる。その中心温度が約1億Kに上がるとヘリウム燃焼によってヘリウムから炭素 12が合成される。次いで炭素 12とヘリウム4から酸素 16が合成される。この過程を炭素燃焼という。大質量の星ではさらにネオン 20,マグネシウム 24,ケイ素 28などが合成される。中心温度がさらに上昇し,約 30億Kに達すると,ケイ素 28からα過程によって鉄 56にいたる一連の元素が合成される。ヘリウム燃焼や炭素燃焼過程で生じる中性子を次々に捕獲するs過程によってビスマス 209にいたる核種が合成される。星の進化の最終段階で爆発して超新星となるときに発生する大量の中性子によって起るr過程では,さらに重い元素が合成され,またこのとき陽子を捕獲するp過程でいくつかの核種が合成される。一方,リチウム,ベリリウム,ホウ素の軽元素は安定性が小さく,これらの合成過程では生成されない。これらの元素は,宇宙線が星の表面や星間空間にある炭素,窒素,酸素の原子核に衝突し,これを破砕することにより生成される。

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知恵蔵の解説

元素の起源

現在観測されるヘリウムやリチウムなど一部の軽元素の起源は、ビッグバン宇宙論で説明できる。この理論は、宇宙初期の温度、密度などを予言し、その状態下での陽子、中性子の核反応により軽元素の生成量が正確に計算できる。そこでは、観測と矛盾しない値が得られており、同宇宙論の正しさの証拠とされている。さらに生成される軽元素の重量比は光子数密度とバリオン数密度の比に依存するので、観測される軽元素の重量比からこの比に対する厳しい制限が得られる。

(二間瀬敏史 東北大学大学院理学研究科教授 / 2007年)

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