意外と知らない鉄の世界

鉄と現代社会とは密接なつながりをもっています。

私たちの身の周りには、デスク、ロッカー、キャビネットなどの事務用品、テレビ、洗濯機、冷蔵庫などの電気製品や台所用品など鉄でできた製品がたくさんあります。町に目を移しても、高層ビル、高速道路、自動車、橋など、私たちの目にふれるところに鉄は多くあります。私たちが着ている衣類も、すべて鉄鋼製品である繊維機械によって作られています。

このように現代ではあらゆる種類の製品がその作られる過程において直接、間接的に鉄とつながりをもっています。

宇宙が生んだ究極の作品「鉄」

鉄の起源は宇宙の誕生まで遡ります。

宇宙は、138億年前に起きたビッグバンと呼ばれる大爆発で生まれたと考えられています。ビッグバンにより、それまでの物質が何もない状態から、原子を構成する陽子や中性子が生まれ、それが結び付いてヘリウムの原子核（陽子２、中性子２）ができました。

この時は、陽子、ヘリウム、電子、電磁波などが飛び回っている混沌とした世界だったとされており、ここまではビッグバン後、わずか３分間の出来事だったと言われています。

その後38万年あまりが経過して、宇宙の温度が約3000℃に下がると、原子核に電子が引きつけられて水素やヘリウムの原子ができました。
電子の動きが制限されるようになったため、宇宙が“晴れ上がり”見通しが良くなったそうです。

しばらくの間、エネルギー的に安定したこれら2つの基本的元素が宇宙空間を漂い、やがてダークマターと呼ばれる物質の「揺らぎ」に引き寄せられ、水素とヘリウムが徐々に集まってガス状の雲となり、恒星をつくったと考えられています。

そして、その引力で原子同士が押し付けられて熱が発生し、温度上昇によるエネルギーが生み出され、陽子、中性子の結合が進み、水素、ヘリウム以外の元素が次々と生み出されました。

この現象を「核融合」（熱核反応）と呼びます。

核融合では、原子核を構成する陽子や中性子の数が増えるため原子核の総質量は増していきます。
質量を増しながら安定な元素に近づき、ニッケルまで進んだ後（第1世代の終焉）、原子核崩壊（β崩壊と呼ばれる）^※を経て「鉄」が生成されました。

鉄は、核融合の最後に誕生しました。
恒星の中心部では、宇宙の時間としては比較的速い3,000万年程度の時間を経て、コンパクトでそれ以上反応が進まない鉄が生まれて、核融合が終わります。

核融合が終わった後も、恒星はさらに外からさまざまな原子を引き寄せます。その過程で放出されるニュートリノの一部が、外側に存在する原子にぶつかり、大爆発を起こしました。

この爆発を「超新星爆発」と呼びます。

超新星爆発の後に残った中性子からなる高密度の核は、その質量が太陽の2～3倍なら中性子星となり、それ以上なら重力崩壊が止まることなくブラックホールになります。
この中性子星同士が合体する際の爆発でも大量の中性子が放出されました。

この爆発のエネルギーと大量の中性子が、鉄よりも重い、鉄以降の元素の誕生を引き起こしたとされています。

このようにしてさまざまな元素が誕生しましたが、その生い立ちから、宇宙での存在量はビッグバンで生まれた基本的元素である水素とヘリウムが最も多いことがわかっています。

しかし、鉄までの第1世代の元素は放っておくと核融合が進み、最終的に鉄に収斂されるため、宇宙での鉄の存在量は特異的に多く、また、鉄以降の第2世代の元素は、超新星爆発以降の星の進化が起こらないと生成しないため、存在量も少なく、さらに核分裂や、恒星の中での核反応により鉄に収斂する方向にあります。

一方で、宇宙に漂っている元素が集積して新たに誕生した太陽では、中心部の温度が上がり水素が燃えて、光り輝きながらヘリウムに再び核融合する反応が始まります。太陽に吸収されなかった塵は、太陽の赤道面に円盤状に集まり、集積して多くの惑星となりました。

私たちが住むこの地球も、その惑星のうちの1つで、約46億年前に太陽に近い場所にできたことから、比較的重い元素によって形成されています。

誕生間もない頃の地球は高温で、部分的に溶融状態だったため、物質の移動が容易に進み、重力によって中心核、マントル、地殻の3つの層から成る構造が形成されたとされています。

このような歴史を持つ地球は、鉄、珪素（けいそ）・マグネシウムの酸化物から成り立っており、最も量が多い鉄においては、総重量の34.6%を占めています。

まさに、地球は「鉄の塊」と言えるのです。