원자핵 에너지

질량과 에너지의 등가성: E=mc²

질량과 에너지는 서로 별개로 존재하는 량이 아니라 서로 변환될 수 있는 량이므로 질량과 에너지는 동등하다.

질량 에너지 보존 법칙 : 우주안의 질량과 에너지의 총 합은 일정하다.

 예) 방사선 붕괴후의 질량이 붕괴전의 질량보다 작다.

   방출된 에너지 = 질량 결손 ×

운동에너지와 질량

질량 결손 : 질량이 mp인 양성자 Z 개와 질량이 mn 인 중성자 N 개가 모여 질량수 A , 원자번호 Z인 원자핵을 구성하였다면 그 질량 M 은 핵자들의 질량의 총합보다 반드시 적다.  즉 질량의 차이(질량결손)를  이라하면

 : 결합에너지.

결합 에너지 :핵자들이 모여 원자핵을 이루면 질량감소 Δm이 생기며 이때 발생하는 에너지를(E=ΔMC²)을 결합  에너지라한다. 핵자당 결합에너지가 크면 원자핵은 보다 안정하다.

핵력:원자핵을 구성하고 있는 핵자 사이에 작용하는 강한인력. (핵력-핵자를 원자핵 안에 묶어두는 강한힘)

일본 물리학자 유가와 히데끼가 규명.

4가지 기본힘중에서 가장 강한 힘이다.

힘의 근원은 π 중간자를 매개로 한 강한 교환력.

원자핵의 결합에너지  : 질량결손 을 에너지로 환산한  의 값.

원자핵의 결합에너지: 핵자당결합에너지는 질량수 60에서 가장크다.

 원자핵 분열 반응

핵분열 : 1938년 하안과 시트라스만은 천연 우라늄  에 완속 중성자(열 중성자)를 때렸더니  는 이 열 중성자를 흡수하였다가 질량이 비슷한 두 파편으로 분열되고, 중성자를 2∼3개 방출하면서, 질량결손에 의한 막대한 에너지를 방출함을 발견.

핵분열:에 느린 중성자를 통과시키면 핵분열 반응이 일어나고 이때 질량감소(결손)이 생기며 이것이 에너지로 전환된다.

핵자당 결합에너지가 질량수 60부근이 가장 크므로, 중원소는 분열하여,  경원소는 융합하여 안정되려 함.

질량수 95및 140 근처의 원소로 분열되면서 중성자 2∼3개를 방출.

핵 분열반응+속도가 느린 열중성자  를  에 충돌시키면 다음과 같은 반응을 한다.

원자1개당 분열시 발생하는 에너지

   + --->  +  + 3 + 200(MeV)

자연에 대부분 존재하는 은중성자를 잘 흡수하지만 핵분열은 잘 일으키지못하므로 자연상태의 우라늄을 농축시키어 사용한다(농축 우라늄) 이때 핵반응시, 반응은 연쇄적으로 일어나며 이를 제어하기위해 중성자의 속도를 감소시키는 감속재(중수, 흑연,물 등)를 사용하며,제어봉(카드늄, 붕소)을 사용하여 바응하는 중성자수의 개수를 조절한다.

원자로 (연쇄반응이 서서히 일어나게 하는 것) - Fermi

연료 : 

감속제 : 물, 흑연, 중수() → 중성자 속도 느리게 함.

제어봉 :  → 중성자를 흡수하여 출력을 제어함.

연쇄반응 : 핵분열시 두 세개의 중성자가 나오므로 이 중성자들이 옆에 있는 다른 원자핵과 반응하여 또 다른 중성자를 방출하여, 핵분열이 기하급수적으로 진행되는 현상.

임계질량 : 연쇄반응이 일어나기 위한 최소한의 질량.

농축 우라늄 :의 함유비율을 20%이상으로 높인것.  이것을 임계질량 (약10Kg) 이상으로 하면 연쇄반응이 일어남.

천연 우랴늄    

원자폭탄 : 농축우라늄 또는  을 임계질량 이상으로 하고, 연쇄 반응을 급격하게 시켜 막대한 에너지를 순간적으로 방출시킨것.

④원자핵 융합 반응 :가벼운 두개 이상의 원자핵이 고온 (), 고압에서 무거운 원자핵이 되는 핵반응.

  ( 질량 결손에 의한 막대한 에너지 방출 )

수소폭탄 :

태양에너지: 태양 내부에서 네개의 양성자가 결합하여 한개의 원자핵과 두 개의 양전자로 되는 핵융합반응을 할때 막대한 에너지를 방출한다.

  

핵 융합:수소와 같은 가벼운 원소가 고온에서 결합하여 He과 같은 원소로 되는 과정

핵 융합반응시(분열, 융합) 에너지 발생이유

어미핵(반응전)과 딸핵(반응후)의 질량결손 때문이다.

 즉 반응전의 핵의 질량과 반응후 핵의 질량은 미세하게 차이가 나며 이러한 질량결손에 의해 막대한 양의 에너지가 발생한다. 이때 발생한 에너지는 E=ΔMC²이다.

반응식:  +  --->  + 24 MeV  

이때 는 핵분열 물질과달리 방사능을 거의 띄지않고 (중수소)는 바닸물속에 무진장 들어있으나 문제는 와 가 서로 핵 반응하기 위해서는 10²K정도의 고온 상태(플라즈마)가 필요하나 이러한 조건을 만들기가 쉽지않다.

기본입자:광량자, 경입자, 중입자, 중간자 등으로 분류된다.

 소립자 : 물질을 구성하는 내부구조를 갖지않는 최소단위의 기본입자.

예) 광자, 양성자, 중성자, 전자, 양전자, 중간자, 중성미자   .

 원자, 분자, α입자는 기본입자가 아님. → 내부구조를 가짐.

 반입자 : 질량은 같고 전기 부호가 반대인 입자

예) 전자의 반입자  →   양전자

 쌍생성과 쌍소멸 : 전하량, 운동량이 각각 보존되고 질량을 포함한 에너지도 보존된다.

예) 전자의 쌍생성 : 

     전자의 쌍소멸 : 

(입자와 반입자가 만나면 함꼐 소멸하여 없어지고 다른입자로 변하는 현상) → 쌍생성 쌍소멸 현상은  을 실증하는 보기이다.

 우주선 (Cosmic Ray)

 1차 우주선 : 대기권 밖에서 지구로 들어오는 우주선

         정도 (대부분 양성자)

 2차 우주선 : 1차 우주선에 의해 대기중에서 만들어지는 기본입자의 흐름

우주선

  기구를 이용하여 고공에서의 이온화율을 측정하면 어떤 높이이상에서 급속하게 이온화율이 증가한다. 이는 지구밖에서 방사선이 오기때문이라고 생각되며 지구자기장에 의하여 방사선이 휘는 점에서 일차적으로 들어온 방사선은 높은 에너지의 양성자로 되어있으며 그것들이 우주의 어디에서 오는지는 밝혀지지 않고 있다.

 일차 우주선은 10¹⁷(ev)의 높은 에너지를 가지고있는 양성자가 대부분 이지만 He의 원자핵인 α입자나  더 무거운 원자핵도 소량 존재한다. 일차 우주선은 공기중에 들어와 산소나 질소의 원자핵과 충돌하여  전자,π입자, μ입자, 중성미자 등의 이차적인 방사선을 낸다.일차우주선과 이차 우주선이 합쳐진 것이  실제 관측되는 우주선이다.