규소 연소 과정

3. 결합 에너지

핵자당 결합 에너지는 원자핵의 안정성을 나타내는 지표이다. 가벼운 원소는 핵융합을 통해 더 무거운 원소로 변환될 때 에너지를 방출하고 (결합 에너지 증가), 무거운 원소는 핵분열을 통해 더 가벼운 원소로 변환될 때 에너지를 방출한다. 철-56은 핵자당 결합 에너지가 가장 높아, 핵융합이나 핵분열을 통해 에너지를 생성할 수 없는 가장 안정한 핵종이다.^[10] 니켈-56의 붕괴는 금속 운석과 암석 행성의 핵에서 많은 양의 철-56이 발견되는 이유를 설명해준다.

위 그래프는 다양한 핵종의 핵자당 결합 에너지를 보여준다. 결합 에너지는 자유 중성자와 양성자의 에너지와 핵종의 에너지 차이이다. 반응의 생성물이 반응물보다 핵자당 결합 에너지가 더 크다면, 그 반응은 발열 반응(에너지를 방출함)이며 진행될 수 있다. 하지만 이는 양성자나 중성자의 수가 변하지 않는 반응(약한 힘 반응 없음)에만 유효하다. 보이는 바와 같이, 중수소나 헬륨과 같은 가벼운 핵종은 더 무거운 원소를 형성하기 위해 결합할 때 많은 양의 에너지를 방출한다(결합 에너지의 큰 증가). 반대로, 우라늄과 같은 무거운 원소는 가벼운 원소로 분열될 때 에너지를 방출한다.

철-58과 니켈-62는 핵자당 질량이 철-56보다 약간 작지만^[12], 철-56은 알파 과정에서 생기는 원자핵 중 단위 핵자당 질량이 가장 작은 질량수이다.

4. 중원소 생성과 초신성 폭발

알파 과정은 별 내부에서 철보다 가벼운 원소들을 생성하는 주요 메커니즘이다. 규소 연소 과정은 알파 과정을 수반하는데, 각 단계에서 헬륨 원자핵 (알파 입자)이 핵에 결합하는 방식으로 새로운 원소를 합성한다. 이 과정은 규소-28에서 시작하여 황-32, 아르곤-36, 칼슘-40, 타이타늄-44, 크로뮴-48, 철-52를 거쳐 니켈-56까지 이어진다.^[14] 이후 니켈-56은 코발트-56을 거쳐 철-56으로 붕괴한다.

철보다 무거운 원소들은 주로 초신성 폭발과 같은 격렬한 천체 현상에서 r-과정(급속 중성자 포획 과정) 등을 통해 생성된다. 초신성 폭발은 중성자별 또는 블랙홀을 형성하며, 우주 공간으로 중원소를 방출하여 새로운 별과 행성계 형성의 재료를 제공한다.

참조

_[1] 논문 The physics of core collapse supernovae
_[2] 서적 Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis https://archive.org/[...] University of Chicago Press
_[3] 논문 Hydrostatic oxygen burning in stars II. oxygen burning at balanced power
_[4] 서적 Principles of stellar evolution and nucleosynthesis University of Chicago Press
_[5] 논문 Theory of core-collapse supernovae 2006-12-04
_[6] 서적 Shadow of a star: The neutrino story of Supernova 1987A https://web.archive.[...] W. H. Freeman 2007-11-19
_[7] 논문 The Maximum Mass of a Neutron Star 1996
_[8] 웹사이트 Gravitational Waves from Gravitational Collapse https://web.archive.[...] Max Planck Institute for Gravitational Physics 2006-01-24
_[9] 논문 Black Hole Formation from Stellar Collapse https://zenodo.org/r[...] 2003
_[10] 웹사이트 Mass number, number of protons, name of isotope, mass [MeV/c^2], binding energy [MeV] and binding energy per nucleus [MeV] for different atomic nuclei https://web.archive.[...] 2005-07
_[11] 논문 The physics of core collapse supernovae https://arxiv.org/pd[...]
_[12] 논문 The atomic nuclide with the highest mean binding energy https://ui.adsabs.ha[...]
_[13] 논문 The physics of core collapse supernovae http://arxiv.org/pdf[...]
_[14] 논문 The atomic nuclide with the highest mean binding energy http://adsabs.harvar[...]