현대 핵물리학과 핵융합, 행분열, 행붕괴

 

 

현대 핵물리학

핵물리학에서 현재 연구의 많은 부분은 극한 상황에서 핵의 연구와 관련이 있습니다. 예를 들면 높은 회전과 들뜸에너지가 있습니다. 핵은 럭비공과 비슷한 극단적인 모양과 중성자-양성자 비율을 가질 수 있습니다. 연구자들은 이온 빔을 입자 가속기에서 사용하여 인공적으로 유도된 분열 혹은 핵자 변환 반응으로 그러한 핵을 만들어 낼 수 있습니다.

훨씬 더 높은 에너지를 가진 빔은 아주 높은 온도에서 핵을 만드는데 사용될 수 있습니다. 이 실험이 보통의 핵 물질로부터 상전이와 새로운 상태인 쿼크-글루온 플라즈마 상태를 만들었다는 증거가 있습니다. 거기서 쿼크들은 중성자와 양성자에 있는 것처럼 3개로 분리되는 것보다는 다른 것과 섞이게 됩니다.

중핵자는 수백 개의 핵자를 가질 수 있습니다. 추측해보면, 양자 역학 보다는 뉴턴 역학으로써 간주 될 수 있습니다. 물방울 모형에서, 핵은 표면 장력과 양성자의 전기적 반발로부터 부분적으로 증가하는 에너지를 가지고 있습니다. 물방울 모형은 핵분열의 현상뿐만 아니라 질량수와 관련된 일반적인 결합 에너지의 경향을 포함하여 핵의 여러 가지 특징들을 설명할 수 있습니다.

양자 역학 효과는 이 고전적인 그림에 중첩되어 있습니다. 그것은 마리아 메이어의 큰 부분이 발달 된 핵 껍질 모델을 사용함으로써 설명되었습니다. 양성자와 중성자의 특정한 숫자를 가진 핵은 그들의 껍질이 채워져 있기에 특히 더 안정합니다.

핵융합

핵융합 과정에서, 두 개의 낮은 질량의 핵은 서로 매우 가깝게 접촉하게 됩니다. 그리고 강력이 이 둘을 융합시킵니다. 이때 두 핵 사이의 반발력을 이겨내기 위하여 큰 에너지를 필요로 합니다. 그리하여 핵융합은 매우 높은 온도 혹은 높은 압력에서 의해서만 일어날 수 있습니다. 일단 과정이 계속되기만 하면, 큰 양의 에너지는 방출되고, 결합 된 핵은 더 낮은 에너지 준위를 가지게 됩니다. 핵자 당 결합 에너지는 질량수가 올라감에 따라서 니켈 62N까지 증가합니다.

태양 같은 항성은 네 개의 양성자가 헬륨 핵으로 되는 융합 과정을 통해 에너지를 공급받습니다. 수소가 헬륨으로 될 때 통제되지 않는 핵융합은 열핵 폭주라고 알려져 있습니다. 자연적인 핵융합의 기원은 태양을 포함한 모든 항성들의 핵에서 생성되는 에너지와 빛입니다.

핵 분열

핵분열은 핵융합 과정의 반대입니다. 핵이 니켈 62N보다 무겁다면 핵자 당 결합 에너지는 질량수가 올라감에 따라 감소합니다. 그리하여 무거운 핵이 2개의 더 가벼운 것들로 분열될 때 에너지가 방출되는 것이 가능합니다.

알파 붕괴 과정은 본질적으로 자발적인 핵분열의 특별한 경우입니다. 이 분열 과정은 아주 불균형한데, 알파 입자를 구성하는 4개의 입자는 특히 서로에 속박되어 있기 때문에 핵 분열중인 이 핵의 생산 확률을 높게 만들기 때문입니다. 분열 과정 중에 중성자를 생산하며 핵분열을 시작하기 위해서 쉽게 중성자를 흡수하는 가장 무거운 특정한 핵들에서는 스스로 불을 붙이는 중성자 시작 분열이 일어납니다. 이는 소위 연쇄 반응이라고 불립니다. 연쇄 반응은 물리보다 화학에서 먼저 알려졌습니다. 사실 우리에게 많은 친근한 과정들인 화학 폭발과 불 등은 화학적 연쇄 반응입니다. 분열에서 생성된 중성자를 사용하는 핵 연쇄 반응은 핵 발전소와 분열 타입의 핵폭탄의 에너지의 원천입니다. 토륨과 우라늄 같은 무거운 핵들은 자발적인 분열 과정을 겪을 수 있습니다. 그러나 자발적인 분열 과정보다 알파 붕괴를 겪을 가능성이 훨씬 높습니다.

중성자 시작 연쇄 반응이 일어나기 위해서 특정한 공간, 특정한 조건에 존재하는 원소의 임계 질량이 있어야 합니다. 가장 작은 임계 질량의 조건은 방출 중성자와 중성자 감속재의 보존입니다. 그래서 더 큰 중성자 단면적 또는 다른 분열을 시작하는 가능성이 있습니다. 150만년 전부터 아프리카 가봉에서 자연적인 핵분열 원자로가 가동 중이었습니다. 자연적인 중성자 방출의 측정이 지구 코어로부터 발생하는 열의 거의 절반이 방사성 붕괴로부터 온다는 사실을 입증했습니다. 그러나 이러한 결과가 핵분열 연쇄 반응으로부터 왔는지 아닌지는 알려져있지 않습니다.

원자 번호 5보다 큰 무거운 원소의 생산

빅뱅 후에 우주가 냉각되었다는 이론에 따르면, 요즘 흔한 아원자 입자들(양성자, 중성자, 전자)이 존재하는 것이 가능해졌습니다. 아직까지 쉽게 관측이 가능하며 가장 흔한 입자인 빅뱅에서 생산된 것은 전자와 양성자입니다. 양성자는 수소 원자핵을 형성합니다. 빅뱅 후 첫 3분 만에 빅뱅에서 생산된 거의 모든 중성자는 헬륨 4N에 흡수됩니다. 오늘날 이 헬륨은 우주에서 발견되는 대부분의 헬륨의 이유를 설명해줍니다.

핵자 당 결합 에너지가 철 부근에서 최고치를 찍기 때문에 이 지점 아래에서 일어나는 핵 분열 과정에서 에너지가 방출됩니다. 핵융합에 의한 더 무거운 핵의 생성이 에너지를 필요로 하기 때문에 자연에서는 중성자 포획 과정이 일어납니다. 중성자는 전하의 부족 때문에 쉽게 핵에 의해 흡수될 수 있습니다. 무거운 원소는 빠른 중성자 포획 과정 또는 느린 중성자 포획 과정 중 하나에 의해 생성됩니다.

중성자와 양성자가 서로에게 충돌하면서 리튬, 베릴륨, 약간의 보론이 생성되었습니다. 그러나 모든 “더 무거운 원소(원소 번호 6 이상)”는 일련의 융합 과정을 거쳐서 별 내부에서 생성되었습니다. 예를 들어 양성자-양성자 연쇄 반응, CNO 사이클 그리고 트리플-알파 process 같은 것에서 점점 더 무거운 원소들이 별의 진화 과정에서 생성되었습니다.

핵붕괴

80개의 원소는 절대로 붕괴한다고 관측되지 않는 적어도 하나의 안정한 동위원소를 가지고 있습니다. 그 수는 전체 약 254개입니다. 하지만 수천 개의 동위원소들은 불안정한 특징을 가지고 있습니다. 이 방사성 동위원소는 수천분의 1초에서 몇 주, 몇 년, 수백 만년 혹은 수억 년에 걸쳐 붕괴합니다. 핵의 안정성은 그것이 양성자와 중성자 비율이 특정한 비율에 있을 때 가장 안정합니다. 너무 많거나 너무 적은 중성자는 오히려 원자를 붕괴시킬 수 있습니다. 예를 들어 베타 붕괴에서 질소 16N 원자 (9개의 중성자와 7개의 양성자)는 생성된 지 수 초 만에 산소 16N으로 바뀝니다. (8 양성자와 8중 성자). 이 붕괴에서 질소 핵 안에 있는 중성자는 양성자, 전자와 반중성미자로 약한 상호작용에 의해 전환됩니다. 원소는 새로 생성된 양성자를 얻음으로써 다른 원소로 변형됩니다.

감마 붕괴에서, 들뜬 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 감마선을 방출함으로써 핵은 붕괴합니다. 원소는 감마 붕괴 과정에서 다른 원소로 바뀌지 않습니다.

알파 붕괴에서 방사성 원소는 헬륨 원자핵(2중 성자와 2 양성자)을 방출함으로써 붕괴합니다. 많은 경우 이 과정은 다른 타입의 붕괴를 포함하여 안정한 원소가 생성될 때까지 이러한 종류의 몇몇 과정을 거쳐서 진행됩니다.

더 많은 다른 붕괴도 가능한데, 내부 전환 붕괴에서 들뜬 상태의 핵에서 나오는 에너지는 궤도 안쪽의 전자를 원자로부터 떼어내는 데 사용될 수 있습니다. 그 과정에서 베타 붕괴와는 달리 높은 속도의 전자를 생산합니다. 또한, 베타 붕괴와는 달리 한 원소가 다른 것으로 바뀌지는 않습니다.