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核分裂の発見

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核分裂の発見（かくぶんれつのはっけん）は1938年12月に化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマン、および物理学者リーゼ・マイトナーとオットー・ロベルト・フリッシュらによってなされた。核分裂とは、ある原子核がそれより軽い複数の原子核に分割され、場合によってその他の粒子も発生するような核反応もしくは放射性崩壊をいう。この過程では多くの場合ガンマ線が発生し、放射性崩壊の基準で言っても莫大な量のエネルギーが生み出される。当時の科学者はすでにアルファ崩壊やベータ崩壊について知っていたが、核分裂のように原子番号が大きく変わる過程は想定外の発見だった。また核分裂は連鎖反応が可能であることから原子力発電や核兵器の発展につながったため非常に重要な意味を持っていた。

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核分裂の発見

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「リーゼ・マイトナー」の記事における「核分裂の発見」の解説

詳細は「核分裂の発見」を参照マイトナーが核分裂の発見に深くかかわったきっかけは、先述のようにフェルミの論文であった。フェルミの研究は、さまざまな原子に中性子を当てることによって、人工的に放射能を作りだすというものである。フェルミは、当時知られていた最も原子量の大きい元素であるウラン（原子番号 92）に対してもこの実験を行った。そうして作りだされた放射能の性質は、今までに観測されたどの元素とも異なっていた。そのためフェルミは、この実験によって原子番号 93の新たな元素が生み出されたのではないかと考えた。マイトナーはこの論文に興味を持ち、ハーン、シュトラスマンとともに原子番号 93以上の元素（超ウラン元素）を見つけようとした。方法としては、ウラン塩に中性子を当ててから、いくつかの溶液を加えて不要な物質を沈殿させる。残った溶液をさらに分離すると、フェルミが発見した物質と同じ半減期をもつ放射性物質が沈殿した。こうしてマイトナーらは、超ウラン元素らしき物質の分離に成功した。その後、この沈殿物には多数の新物質が含まれていることが明らかになった。測定を続けた結果、1937年には、ウランに中性子を当てると以下の3つの反応が起こると推定した。ekaRe、ekaOs、ekaIr、ekaPt、ekaAuはそれぞれ 93、94、95、96、97番元素を表す（カッコ内は半減期）。 U + n → U（10秒） → ekaRe（2.2分） → ekaOs（59分） → ekaIr（66 時間） → ekaPt（2.5 時間） →ekaAu（未定） U + n → U（40秒） → ekaRe（16分） → ekaOs（5.7時間） → ekaIr（未定） U + n → U（23分） → ekaRe（未定）しかしこれらの反応のメカニズムは解明できなかった。また、マイトナーらは同時期にトリウムに中性子をあてることによって放射性物質が生み出されることを発見し、その研究を行ったが、やはりその反応を理論的に説明することはできなかった。 1938年にマイトナーは亡命を余儀なくされた。その頃シュトラスマンは、イレーヌ・ジョリオ＝キュリーとパヴェル・サヴィッチの論文を読んで、ウランの中性子照射実験によって自分たちが発見していない放射性物質が生み出されていることに気付いた。マイトナーたちと行った実験でこの物質が発見できなかったのは、ウラン塩の沈殿物質だけを測定していて、沈殿しなかった溶液の方を調べていなかったからであった。最初、ハーンとシュトラスマンは、この放射性物質はラジウムに似ていると考えた。この話を聞いたマイトナーはハーンに対し、ラジウムでは物理的に説明がつかないため、この実験をより厳密に行うよう求めた。 1938年 12月、マイトナーはハーンから、この放射性物質はラジウムではなくバリウムではないかという手紙を受け取った。ウランがバリウム（原子番号 56）のような小さな原子番号の元素に変化するということは当時ほとんどの科学者は考えていなかった。マイトナーはこの実験結果について考え、そして、原子核を水滴に似たものとして記述する、ボーアにより拡張された液滴模型を適用すれば説明がつくことに気付いた。つまり、原子核に中性子の衝突という力が加わることで、水滴が2つに分かれるように原子核が2つのかたまりに分かれることもあり得る。しかも、水滴の場合は表面張力が分割に対する抵抗力となるが、原子核の場合は陽子による電荷があるため、それが表面張力に打ち勝つ力を持っている。さらに計算の結果、このような形で原子核が分裂するときには、200MeVという大きなエネルギーが発生することが分かった。一方で、ウランが分裂してできた2つの原子核の質量は、合計すると、元のウランの質量よりも陽子の5分の1だけ軽いという計算結果も得られた。この質量を、相対性理論から導き出される式 E = mc2 に当てはめると、ちょうど200MeVとなる。こうして、核分裂の理論は生み出された。その後この理論はボーアらにより、アメリカをはじめとしてたちまち世界中に広まっていった。またマイトナーは、以前自分たちが発見したと思っていた超ウラン物質も、実は超ウラン物質ではなく核分裂で生み出された元素ではないかと考えた。このことは1939年 2月に、自身の手によって確かめられた。本当の超ウラン元素（原子番号 93 ネプツニウム）は、1940年、エドウィン・マクミランとフィリップ・アベルソンによって発見された。マイトナーもこの実験を行う計画を立てていたが、実験環境が整わなかったため発見には至らなかった。そのため、この超ウラン元素を発見できなかったことに関しては、当時の苦しい生活と相まって、胸がはりさける思いであったという。

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