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핵반응

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목차

1. 개요

핵반응은 원자핵의 상호작용을 의미하며, 핵물리학 발달로 실험 연구가 가능해졌지만 태양 에너지 생성과 같이 자연 현상과 밀접한 관련이 있다. 핵반응은 핵융합, 핵분열, 스팔레이션 등 다양한 유형으로 나뉘며, 핵반응 방정식과 에너지 보존 법칙을 따른다. 핵반응은 에너지 생산, 방사성 동위원소 생성 등 다양한 분야에 응용되며, 핵융합 에너지 개발과 방사성 폐기물 처리 등 해결해야 할 과제도 존재한다.

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핵반응
개요
정의한 원자핵이 다른 원자핵으로 변환되는 과정
관련 용어핵물리학
방사성 붕괴
핵분열
핵융합
반응식
일반적인 형태a + X → Y + b
약식 표기X(a, b)Y
예시6Li + 2H → 4He + 4He
6Li(d, α)α
반응 종류
탄성 산란반응 전후 운동 에너지 보존
비탄성 산란반응 전후 운동 에너지 보존되지 않음
흡수 반응입자가 원자핵에 흡수됨
전하 교환 반응입자 간 전하 교환
복합 핵 반응중간 단계의 복합 핵 형성
직접 반응입자가 원자핵 표면에서 직접 상호 작용
에너지
에너지 보존반응 전후 에너지 보존
Q 값반응 전후 질량-에너지 차이
발열 반응Q > 0 (에너지 방출)
흡열 반응Q < 0 (에너지 흡수)
예시 반응
리튬-6과 중수소의 반응6Li + 2H → 8Be → 2 4He

2. 역사

1919년, 어니스트 러더퍼드는 맨체스터 대학교에서 질소에 알파 입자를 쏘아 질소를 산소로 변환하는 데 성공했다. 14N + α → 17O + p. 이것은 유도 핵반응, 즉 한 붕괴에서 나온 입자를 사용하여 다른 원자핵을 변환하는 반응의 첫 번째 관찰이었다. 1932년, 케임브리지 대학교에서 러더퍼드의 동료인 존 코크크로프트와 어니스트 월턴은 인공적으로 가속된 양성자를 리튬-7에 쏘아 핵을 두 개의 알파 입자로 분리하는 완전한 인공 핵반응과 핵 변환을 달성했다. 이 업적은 대중적으로 "원자 분열"로 알려졌지만, 이는 나중에 (1938년) 독일 과학자 오토 한, 리제 마이트너, 프리츠 슈트라스만이 무거운 원소에서 발견한 현대적인 핵분열 반응은 아니었다.

3. 핵반응 방정식

핵반응은 화학 반응식과 유사한 형태로 나타낼 수 있으며, 이 경우 불변 질량이 방정식의 각 측면에서 균형을 이루어야 하고, 입자의 변환은 전하 보존 및 중입자수(총 원자 질량수) 보존과 같은 특정 보존 법칙을 따라야 한다.

예시:

: 6Li영어 + 2H영어 → 4He영어 + ?

위 방정식에서 질량, 전하 및 질량수를 균형 맞추려면 오른쪽의 두 번째 핵은 원자 번호 2와 질량수 4를 가져야 한다. 따라서 이것은 헬륨-4이다. 전체 방정식은 다음과 같다.

: 6Li영어 + 2H영어 → 4He영어 + 4He영어

간단하게 표현하면 다음과 같다.

: 6Li영어 + 2H영어 → 2 4He영어

위와 같은 완전한 방정식 대신, 핵반응을 간결하게 나타내는 표기법이 사용된다. A(b,c)D 형식은 A + b → c + D와 같다. 일반적인 경입자는 축약하여 표기하는데, 양성자는 p, 중성자는 n, 중수소는 d, 알파 입자()는 α, 베타 입자(전자)는 β, 감마선 광자는 γ로 나타낸다. 따라서 위 반응은 6Li영어(d,α)α로 표기할 수 있다.

핵반응은 원자핵 ''A''(표적핵)와 입자 ''a''(입사 입자)가 충돌하여 원자핵 ''B''(반동핵 또는 잔류핵[9])와 입자 ''b''(방출 입자)가 발생하는 경우, 다음과 같이 표시한다.

: ''A'' (''a'', ''b'') ''B''

이를 (''a'', ''b'') 반응이라고 부른다.

예를 들어, 7Li영어 (p, γ) 8Be영어 반응은 다음과 같다.

: 7Li + p -> 8Be + γ한국어

이는 (p, γ) 반응 또는 양성자-감마 반응이라고 부른다.

러더퍼드가 1919년에 발견한, 질소14에 알파선을 쏘아 양성자를 방출하여 산소17이 되는 반응은 다음과 같이 표기할 수 있다.

: 14N (α,p) 17O한국어

4. 에너지 보존

운동 에너지는 반응 과정에서 방출될 수 있으며(발열 반응), 반응이 일어나기 위해서는 운동 에너지를 공급해야 할 수도 있다(흡열 반응). 이는 매우 정확한 입자 정지 질량 표를 참조하여 계산할 수 있다.[4]

Lithium영어-6 핵의 표준 원자량은 6.015 원자 질량 단위(약어 u), 중수소는 2.014 u, 헬륨-4 핵은 4.0026 u이다. 따라서:


  • 개별 핵의 정지 질량의 합 = 6.015 + 2.014 = 8.029 u
  • 두 헬륨 핵의 총 정지 질량 = 2 × 4.0026 = 8.0052 u
  • 질량 손실 = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 원자 질량 단위


핵반응에서 총 (상대론적) 에너지는 보존된다. 따라서 "손실된" 정지 질량은 반응에서 방출되는 운동 에너지로 다시 나타나야 한다. 그 근원은 핵 결합 에너지이다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리 공식 ''E'' = ''mc''2를 사용하여 방출되는 에너지의 양을 결정할 수 있다. 먼저 1 원자 질량 단위의 에너지 등가물을 구하면 다음과 같다.

:1 u ''c''2 = (1.66054 × 10−27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2

:= 1.49242 × 10−10 kg (m/s)2

:= 1.49242 × 10−10 J

:= 931.49 MeV (1 MeV = 1.602176634×10−13 J)

따라서 1 u ''c''2 = 931.49 MeV 이므로, 방출되는 에너지는 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV이다.

다르게 표현하면, 질량은 0.3% 감소하며, 이는 90 PJ/kg의 0.3%에 해당하는 270 TJ/kg이다.

이것은 핵반응에서 상당히 큰 에너지이다. 이 양이 이렇게 높은 이유는 헬륨-4 핵의 핵자당 결합 에너지가 He-4 핵이 "이중 마법수"이기 때문에 이례적으로 높기 때문이다. He-4 핵은 헬륨 원자가 비활성인 것과 같은 이유로, 즉, He-4의 각 쌍의 양성자와 중성자가 채워진 '''1s''' 핵 오비탈을 점유하는 것과 같은 방식으로, 헬륨 원자의 전자가 채워진 '''1s''' 전자 오비탈을 점유하기 때문에 이례적으로 안정적이고 단단하게 결합되어 있다. 결과적으로 알파 입자는 핵반응의 오른쪽에 자주 나타난다.

핵반응에서 방출되는 에너지는 주로 다음 세 가지 방식으로 나타날 수 있다.

  • 생성 입자의 운동 에너지 (하전된 핵반응 생성물의 운동 에너지 일부는 직접 정전 에너지로 변환될 수 있음)[5]
  • 매우 높은 에너지의 광자 방출, 즉 감마선
  • 일부 에너지는 준안정 에너지 준위로 핵에 남아 있을 수 있음


생성 핵이 준안정 상태일 때, 이는 원자 번호 옆에 별표 ("*")를 사용하여 표시한다. 이 에너지는 결국 핵 붕괴를 통해 방출된다.

소량의 에너지는 X선 형태로 나타날 수도 있다. 일반적으로 생성 핵은 다른 원자 번호를 가지며, 따라서 전자 껍질의 구성이 잘못되어 있다. 전자가 재배열되어 더 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 내부 전이 X선(정확하게 정의된 방출선을 가진 X선)이 방출될 수 있다.

화학 반응식과 유사한 방식으로 반응 에너지를 반응 방정식의 오른쪽에 추가할 수 있다.

:표적 핵 + 발사체 → 최종 핵 + 방출체 + ''Q''

위에서 논의된 특정 경우, 반응 에너지는 이미 ''Q'' = 22.2 MeV로 계산되었다. 따라서 반응 방정식은 다음과 같다.

:  +  → 2  + 22.2 MeV

반응 에너지("Q-값")는 발열 반응의 경우 양수이고 흡열 반응의 경우 음수이며, 화학에서의 유사한 표현과 반대이다. 반응 에너지는 최종 측과 초기 측의 운동 에너지 합의 차이 또는 초기 측과 최종 측의 핵 정지 질량 차이로 계산할 수 있다. (위에서는 Q-값을 핵 정지 질량 차이로 계산했다.)

5. 반응률

반응식의 균형은 반응이 실제로 일어난다는 것을 의미하지 않는다. 반응이 일어나는 속도는 입사 입자의 에너지와 플럭스 및 반응 단면적에 따라 달라진다. 반응 속도에 대한 대규모 저장소의 예로는 핵천체물리학 공동연구소에서 관리하는 REACLIB 데이터베이스가 있다.

6. 입자의 전하

핵반응을 시작하려면 초기 충돌에서 입자들이 짧은 거리의 강력이 영향을 미칠 수 있을 만큼 충분히 가까이 접근해야 한다. 대부분의 일반적인 핵 입자는 양전하를 띠고 있으므로, 반응이 시작되기 전에 상당한 정전기적 반발력을 극복해야 한다. 표적 핵이 중성 원자의 일부인 경우에도 다른 입자는 전자 구름을 훨씬 넘어서 침투하여 양전하를 띤 핵에 가까이 접근해야 한다. 따라서 이러한 입자들은 먼저 다음과 같은 방법으로 고에너지로 가속되어야 한다.


  • 입자 가속기
  • 핵붕괴 (알파 입자는 여기서 주된 관심 대상인데, 베타선과 감마선은 핵반응에 거의 관여하지 않기 때문이다.)
  • 수백만 도에 달하는 매우 높은 온도는 열핵반응을 일으킨다.
  • 우주선


또한 반발력은 두 전하의 곱에 비례하므로 무거운 핵 간의 반응은 가볍고 무거운 핵 간의 반응보다 드물고 더 높은 시작 에너지를 필요로 한다. 반면 두 개의 가벼운 핵 간의 반응이 가장 흔하다.

반면에 중성자는 반발을 일으킬 전하가 없으므로 매우 낮은 에너지에서 핵반응을 시작할 수 있다. 사실, 극도로 낮은 입자 에너지(예를 들어 실온에서의 열적 평형에 해당)에서 중성자의 드브로이 파장이 크게 증가하여 관련 핵의 공명에 가까운 에너지에서 캡처 단면적이 크게 증가할 수 있다. 따라서 저에너지 중성자는 고에너지 중성자보다 훨씬 더 반응성이 클 수 있다.

7. 핵반응의 유형

핵반응에는 여러 유형이 있지만, 그중에서도 몇 가지 일반적이거나 주목할 만한 유형은 다음과 같다.


  • 핵융합 반응: 두 개의 가벼운 핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하고, 추가 입자(주로 양성자 또는 중성자)를 방출한다.
  • 스팔레이션: 충분한 에너지와 운동량을 가진 입자가 핵에 부딪혀 여러 개의 작은 조각을 떨어뜨리거나 많은 조각으로 부순다.
  • 유도 감마선 방출: 핵 여기 상태를 생성하고 파괴하는 데 광자만 관여한다.
  • 핵분열 반응: 매우 무거운 핵이 추가적인 가벼운 입자(보통 중성자)를 흡수한 후 두 개 또는 때로는 세 개의 조각으로 쪼개진다. 이는 유도 핵반응의 일종이다. 중성자 없이 자발적으로 일어나는 자발적 핵분열은 일반적으로 핵반응으로 간주되지 않는다.


입사 입자의 운동 에너지가 표적 핵의 핵자 하나당 평균 상호 작용 에너지보다 작을 때, 입사 입자는 표적 핵 전체와 상호 작용하는 것으로 간주할 수 있다. 이 경우, 핵반응 메커니즘은 닐스 보어와 그레고리 브라이트, 유진 위그너가 도입한 '''복합 핵 모델'''로 해석할 수 있다[10]。

복합 핵 모델에 따르면, 핵반응은 다음 두 단계를 거쳐 발생한다.

1. (표적 핵) + (입사 입자) → (복합 핵): 복합 핵 형성 과정

2. (복합 핵) → (반동 핵) + (방출 입자): 복합 핵 붕괴 과정

7. 1. 직접 반응

중간 에너지 투사체는 단일 신속한(10−21 초) 사건에서 핵에 에너지를 전달하거나 핵자(핵을 구성하는 입자)를 획득하거나 잃는다. 에너지와 운동량 전달은 비교적 작다. 이 반응들은 실험 핵물리학에서 특히 유용한데, 반응 메커니즘이 표적 핵의 구조를 탐구할 수 있을 정도로 충분히 정확하게 계산할 수 있을 만큼 단순하기 때문이다.[1]

비탄성 산란

에너지와 운동량만 전달된다.[1]

  • (p,p')는 핵 상태 간의 차이를 시험한다.[1]
  • (α,α')는 핵 표면 모양과 크기를 측정한다. α 입자는 핵에 충돌하면 더 격렬하게 반응하므로 탄성 및 얕은 비탄성 α 산란은 작은 검은 물체에서 산란되는 빛과 마찬가지로 표적의 모양과 크기에 민감하다.[1]
  • (e,e')는 내부 구조를 탐구하는 데 유용하다. 전자는 양성자 및 중성자보다 약하게 상호 작용하므로 표적의 중심에 도달하며, 핵을 통과할 때 파동 함수가 덜 왜곡된다.[1]


에너지와 전하는 투사체와 표적 사이에서 전달된다.[1] 이러한 종류의 반응의 몇 가지 예는 다음과 같다.[1]

→ T→ 7Li→ 14C
'(n,α6Li + n → T + α10B + n → 7Li + α17O + n → 14C + α21Ne + n → 18O + α37Ar + n → 34S + α
(n,p)3He + n → T + p7Be + n → 7Li + p14N + n → 14C + p22Na + n → 22Ne + p
'(n,γ2H + n → T + γbgcolor=lightgrey|13C + n → 14C + γ



중성자와의 반응은 원자로와 핵무기에서 중요하다.[1] 가장 잘 알려진 중성자 반응은 중성자 산란, 중성자 포획, 핵분열이지만, 일부 가벼운 핵종(특히 홀수-홀수 핵종)의 경우 열 중성자와의 가장 유력한 반응은 전달 반응이다.[1]

일부 반응은 고속 중성자에서만 가능하다.[1]


  • (n,2n) 반응은 비교적 방사성 악티늄족 원소 생성물이 없는 토륨 사이클에서 소량의 프로트악티늄-231과 우라늄-232를 생성한다.[1]
  • 9Be + n → 2''α'' + 2n은 핵무기의 베릴륨 중성자 반사체에서 일부 추가 중성자를 생성할 수 있다.[1]
  • 7Li + n → T + ''α'' + n은 미국에서 실시한 3개의 가장 높은 위력의 핵실험인 캐슬 브라보, 캐슬 로미오, 캐슬 양키 실험인 캐슬 작전에서 예상치 못하게 추가적인 위력을 제공했다.[1]

7. 2. 복합 핵반응

저에너지 투사체가 흡수되거나, 보다 높은 에너지의 입자가 핵에 에너지를 전달하여 핵이 완전히 결합되기에는 과도한 에너지를 갖게 된다. 약 10−19초의 시간 척도에서 입자, 주로 중성자가 "끓어" 나간다. 즉, 충분한 에너지가 하나의 중성자에 집중되어 상호 인력을 벗어날 때까지 함께 유지된다. 흥분된 준결합 핵을 '''복합 핵'''이라고 한다.

저에너지 (e, e' xn), (γ, xn) (여기서 xn은 하나 이상의 중성자를 나타냄)에서 감마 또는 가상 감마 에너지는 거대 쌍극자 공명 근처에 있다. 이것들은 전자 가속기 주변의 방사선 차폐의 필요성을 증가시킨다.

'''입사 입자의 운동 에너지가 표적 핵의 핵자 하나당 평균 상호 작용 에너지보다 작을 때''', 입사 입자는 표적 핵인 원자핵 전체와 상호 작용하는 것으로 간주할 수 있다. 이 경우, 이 핵반응의 메커니즘은 '''복합 핵 모델'''(compound-nucleus model)이라고 불리는 모델을 사용하여 물리적으로 해석할 수 있다. 이 복합 핵 모델은 닐스 보어에 의해, 그리고 이와는 별도로 그레고리 브라이트와 유진 위그너에 의해 도입되었다[10]。

이 모델에 따르면, 핵반응은 다음 두 단계에 걸쳐 발생한다고 생각한다.

# (표적 핵) + (입사 입자) → (복합 핵): 복합 핵을 형성하는 과정

# (복합 핵) → (반동 핵) + (방출 입자): 복합 핵이 붕괴되는 과정

8. 핵반응의 응용

핵반응은 20세기 핵물리학의 발달로 실험실에서 연구가 가능해졌지만, 실제로는 태고부터 인간과 밀접한 관련이 있었다. 태양의 빛과 열은 태양 내부에서 수소가 헬륨으로 변환되는 핵융합 반응의 결과물이다.[1] 만약 태양이 일반적인 화학 반응으로 연소한다면, 이미 오래전에 모두 소진되었을 것이다.

1938년 독일의 한과 슈트라스만이 우라늄 핵분열 현상을 발견하면서 중성자에 의한 연쇄 반응을 이용한 고에너지 생산 가능성이 검토되었다.[1] 1942년에는 시카고 대학교에서 세계 최초의 원자로가 가동되었고, 1945년에는 일본 히로시마와 나가사키에 원자폭탄이 투하되었다.[1]

핵융합이나 핵분열을 이용하는 원자력 에너지는 석유나 석탄 고갈 가능성이 있는 21세기 인류에게 중요한 에너지원이 될 것으로 예상된다.[1] 물론 핵분열로 발생하는 방사성 폐기물 처리 등 해결해야 할 문제도 많다.[1]

핵반응의 응용 분야는 다음과 같다.

참조

[1] 웹사이트 Cockcroft and Walton split lithium with high energy protons April 1932. http://www-outreach.[...]
[2] 웹사이트 The Astrophysics Spectator: Hydrogen Fusion Rates in Stars http://www.astrophys[...]
[3] 서적 Understanding Solids: The Science of Materials https://books.google[...] John Wiley and Sons
[4] 웹사이트 Atomic Weights and Isotopic Compositions with Relative Atomic Masses https://www.nist.gov[...] 2009-08-23
[5] 학술지 Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors 2013
[6] 문서 입사입자
[7] 문서 용어사전(1974)
[8] 문서 탄성산란, 비탄성산란
[9] 문서 용어사전(1974)
[10] 문서 그라스톤(1955)


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