なぜ科学反応において発熱、吸熱が生じるのか？

―原子や分子の反応過程でエネルギーが放出、又は、吸収されるのはなぜか？

・発熱反応が生じるのは、反応後の物質のエネルギーレベルが低いから。ではなぜ、反応後の物質のエネルギーレベルが低いのか？

・反応時に発熱でエネルギーを失ったから。ではなぜ、反応時に発熱するのか？それは、反応後の物質の方がエネルギーが低いから。これでは、鶏が先か、卵が先か？と同じになり、説明にはなっていない。

・反応後の物質のエネルギーレベルが低い。これは正しくは、反応後の物質の質量が低くなっているのだ。陽子の質量は938.3MeV。中性子の質量は939.6MeV。重水素（陽子＋中性子）の質量は1875.7MeV。単純に個々の陽子と中性子の合計は1877.9MeV。つまり、単独で存在するよりも、結合した陽子と中性子の方が2.2MeV軽くなっている。なぜか？

・これは、反応前と反応後の前後でエネルギーが保存される様にする為。強い力はごく短い距離10‐¹⁵mまで近づいた時に来たときに急に発生する。つまり、2個の粒子が近づいたら急に2.2MeVの結合エネルギーを得る事が出来たのだ。しかし、反応前後でエネルギーを保存する為に、2.2MeVを何らかの方法で失わなければいけない。この2.2Mevのエネルギーは質量から失われるのだ。つまり、質量の一部がE=mc^2によりエネルギーとして失われ、結合した時に2.2Mev分、熱エネルギーとして放出される。結果、反応前の質量は1877.9MeVで反応後は1875.7MeVで反応後の方が質量が少ない。しかし、反応後の物質は反応前と違って2.2MeVの結合エネルギーを持つ。つまり質量エネルギーと結合エネルギーを足した全エネルギーは反応前と反応後で保存されている。

・次になぜ吸熱反応は生じるか考えて見よう。吸熱反応は重水素（陽子＋中性子）が陽子と中性子にバラバラになる時に生じる。なぜか？

強い力は10‐¹⁵mより離れると無くなってしまう。つまり、重水素が陽子と中性子にバラバラに離れる時、強い力は失われる。つまり結合力2.2MeVが失われる。つまり、反応前と反応後でエネルギーを保存する為には、どこかから、失われた2.2MeV分のエネルギーを与えてやらねばならない。つまり、バラバラになる時、失われた2.2MeV分のエネルギーを周囲から奪うのだ。周囲から奪った2.2MeV分のエネルギーはE＝mc^2により陽子と中性子の質量に変わる。結果、反応前と反応後、すなわち結合前とバラバラになった後でエネルギーは保存される。

陽子（938.3MeV）＋中性子（939.6MeV）⇔重水素（1875.7MeV）＋結合力（2.2MeV）

もう少し簡単な反応式で説明すると

物質A（50質量E）＋物質B（50質量E）→→→→→物質AB（80質量E＋20結合E）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓　　↑

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（20熱E）（20結合E）

つまり、周りから20結合エネルギーを得たので、逆に周りに20熱エネルギーとして返している。つまり反応時は

１、エネルギーの質（核エネルギー、電気エネルギー、熱エネルギー等）が変化する。

２、反応時には必ずエネルギーの収入と支出が生じる。

３、エネルギーの収入－支出は必ず0になる。

エネルギー収入…20結合エネルギー

エネルギー支出…20熱エネルギー

支出差分…0エネルギー

・まとめ＞周囲から得た結合エネルギーは、反応前後でエネルギーを保存する為に、結合エネルギー分を質量から熱エネルギーとして失う。発熱反応が生じている時、発熱エネルギーの値は結合エネルギーの強さと、失われた質量の値を表している。

逆に吸熱反応が生じている時、吸熱されたエネルギー値は、失われた結合エネルギーの値と増加した質量の値を表している。

 

―なぜ中性子は単独で存在できないのか？

・単独で存在する中性子は10数分の半減期で崩壊する。

ddu→uud＋e-＋反νe

これはdクォークがuクォークに変化した事を表す。

クォークフレーバー（u,d,c,s,t,bの6種類）が変化した。すなわち弱い相互作用により生じている。

・中性子（ddu）は陽子（uud）より1.3MeV重い。中性子939.6MeV。陽子938.3MeV

つまり、dクォークはuクォークよりも1.3MeV重いのだ。

dクォークの質量は4.5～5.5MeV。uクォークの質量は1.8～3.0MeV。

クォーク3つの質量よりも、クォーク3つで構成された陽子や中性子の方が圧倒的に重い事。これは、クォーク同士の強い力の結合力がべらぼうに高い事を意味する。つまり結合エネルギーがE＝mc＾2により質量が変化しているのだ。

単独のクォークは1兆℃くらいの温度で現れる。クォークが単独で存在する為には、クォーク同士の結合エネルギーを失った分のエネルギーを与えなければいけない。

E＝mc＾2より、軽い方がエネルギーは低いので安定。だからdクォークは無理やりにでもuクォークに崩壊する。

もし、中性子より陽子の方が重かったら、原子は存在しないのでこの宇宙も我々も存在しない。

 

―なぜ光子や重力子はエネルギーを持つのに、質量が無いのか？

・質量とは、物を動かしにくくする力＝運動量を保とうとする力と定義できる。

・質量がある物資はたとえ宇宙空間（真空）であろうと、物は動かしにくい。宇宙でも質量が大きな物質と質量が小さな物質では、大きな物質ほど、動かすのに力が必要だ。（ただし、宇宙は地球の重力が弱くなるので、約1/10の力で動かせる！）

・そして質量はE=mc^2よりエネルギーが変化した物とも表せる。

・このエネルギーを質量に変換する力こそヒッグス粒子と考えられる。この宇宙はヒッグス場が存在している。そいてヒッグス粒子が物質に質量を与えていると考えられている。

仮説＞ヒッグス粒子を交換しあう事で結合エネルギーが生じている。このエネルギーがE=mc^2により質量に変化していると考えられる。周りの粒子（真空からΔt=h/2π×ΔEの間で許される時間だけ出現できる粒子）とヒッグス粒子を交換し合う引力により、その場所に固定される。すなわち、物体は動きにくくなる。

しかし、光子やグラビトン、グルーオンはヒッグス粒子を交換出来ないので、ヒッグス粒子の交換力により結合エネルギーも生じない。だから、質量も生まれないし、その場所にとどまりやすいという性質もない。光子は、電子にぶつかるとすぐ進路を曲げたり、止まったりする。すなわち運動量を保とうとする力がない。

宇宙の相転移により、ヒッグス場に満たされた宇宙になった時、莫大なエネルギーが放出されたと考えられる。

質量0→ヒッグス粒子の交換力により結合エネルギーが生まれた。結合エネルギーは質量となった。しかし、これは真空から生まれた結合エネルギーである。すなわちすぐに真空に返される。質量を得る事、質量を返す事、これが無限に繰り返される。しかし、時間差がある。極短時間であれば、エネルギーの保存則は破れる。極短時間だけ質量を得る。それが繰り返される。常に1定の質量が存在する様に見える。しかし、実際には、質量は常に変化していると考えられる。

 

参考文献：量子的世界像　101の新知識　ゲネス・フォード