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핵종
핵종(核種, Nuclide)은 원자핵을 이루는 양성자 수 Z, 중성자 수 N 및 그 에너지 상태로 구분되는 원자 또는 원자핵의 종류이다. 따라서 극단으로 수명이 짧은 여기(勵起)상태에 있는 것은 독립 핵종이라고 말하지 않는다. 같은 원자번호 Z를 가지고(즉 동수의 양성자를 가지고), 갯수가 다른 중성자를 가진 2종 이상의 원자핵이 있는 경우 이들을 동위원소라고 부른다. 현재 약 1900 종의 핵종이 알려져 있다. 그 중 289 종이 천연의 안정 핵종이다.
개요[편집]
하나하나의 동위원소의 원자핵. 핵종 가운데 방사능을 가지는 것을 방사성 핵종이라고 한다. 소련의 체르노빌 원자력발전소사고로 요드131과 133은 양자 수는 같으므로 같은 요드이지만, 중성자 수에 따라 질량수가 다른 원자핵을 가지는 동위원소(isotope)이다. 수소는 수소, 중수소, 3중수소의 세종류의 동위원소로 되어 있는데 이러한 하나하나의 동위원소의 원자핵을 핵종이라고 한다. 현재 약 1,250개의 핵종이 알려져 있는데 그중 안정된 핵종으로서 천연으로 존재하는 것은 약 280종이다.
핵종의 분류[편집]
다양한 핵종은 아래에 설명된 것과 같이 동위원소(isotopes), 동중성자 원소(isotones), 동중원소 (isobars), 거울핵 (mirror nuclei), 이성질핵 (nuclear isomers) 등으로 분류될 수 있다. 그림 1에 우주에 존재하는 원소와 반감기가 정리되어 있다. 그림 1의 검은색으로 표시된 원소가 안정된 원소이며, 일반적으로 검은색으로 부터 벗어날 수록 반감기가 짧은 불안정한 원소이다.
- 동위원소 (isotopes)
원자번호(Z)는 같지만 원자량이 달라 질량번호(A)는 다른 원소를 뜻한다. 예를 들면 ¹²C, ¹³C가 동위원소에 해당한다. 그림 1에서 같은 수직선 위에 존재하는 원소가 동위원소이다.
- 동중성자 원소 (isotones)
원자번호(Z)는 다르지만 중성자 수(N)가 같은 원소를 뜻한다. 예를 들면 ¹³C, ¹⁴N이 동중성자 원소에 해당한다. 그림 1에서 같은 수평선 위에 존재하는 원소가 동중성자 원소이다.
- 동중원소 (isobars)
원자번호(Z)와 중성자 수(N)은 다르지만 질량번호(A=Z+N)는 같은 원소를 뜻한다. 예를 들면 ¹⁷N, ¹⁷O, ¹⁷F가 동중원소에 해당한다. 그림 1에서 Z = N선과 수직인 사선 위에 존재하는 원소가 동중원소이다.
- 거울핵 (mirror nuclei)
중성자 수(Z)와 양성자 수(N)가 바뀐 원소를 뜻하며 질량번호(A)는 같다. 예을 들면, ³H, ³He가 거울핵에 해당한다. 그림 1에서 Z = N선을 중심으로 대칭인 두 원소가 거울핵에 해당하는데, Z가 클 경우에는 중성자가 양성자보다 많아서 안정된 거울핵이 존재하지 않는다.
- 이성질핵 (nuclear isomers)
원자번호(Z)와 질량번호(A) 모두 같지만, 서로 다른 에너지 상태에 있는 원소이다. 예를 들면 ⁹⁹Tc, ⁹⁹mTc가 이성질핵에 해당되는데, ⁹⁹mTc는 수명이 긴 준안정(meta stable) 원자로서, ⁹⁹Tc에 비해 흥분된 상태(excited state)에 있다.
핵종의 기원[편집]
우주의 핵합성은 다양한 과정에서 이루어진다. 최초의 핵합성은 대폭발(Big Bang) 직후 3분에 이루어졌으며, 이 때 만들어진 핵들이 모여 별을 형성하게 된다. 그리고 별이 중력으로 수축하는 과정에서 핵융합 반응이 일어나 철보다 가벼운 많은 핵이 만들어진다. 다음으로, 무거운 별은 수명을 다 한 뒤에 중심부에 중성자별을 남기고 초신성 폭발을 일으킬 수 있는데, 이 때 중성자가 풍부한 환경이 형성되어 철보다 무거운 많은 원소가 만들어진다. 또한 원자번호가 매운 큰 원소들은 중성자별 쌍성이 충돌하는 과정에서 만들어질 수 있다. 핵합성은 지상의 핵반응기 내에서도 일어날 수 있고, 가속기 실험에서 인공적으로 이루어질 수도 있다.
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- 대폭발 핵합성 (Big Bang nucleosynthesis)
우주 최초의 핵은 빅뱅 후 3분 경에 빅뱅 핵합성을 통해 형성되었다. 이 때 형성된 수소와 헬륨이 현재 우주의 수소대 헬륨 비율을 결정하였으며, 최초로 탄생한 별의 주요 성분이 되었다. 대폭발 핵합성에 의해 형성된 주요 원소는 그림 1에서 파란색으로 표시되어 있다.
- 별 핵합성 (Stellar nucleosynthesis)
무거운 핵은 별 내부에서 수소와 헬륨의 핵합성을 통해 형성되었으며, 별 내부의 핵합성은 현재도 진행되고 있다. 무거운 원소 함량비가 우리 은하와 같은 은하에서는, 생성 초기 별의 질량이 태양의 8배보다 작으면 핵합성에 의해 철보다 가벼운 원소들이 만들어지며, 핵합성이 끝나고 중심부에 백색왜성이 형성되는 과정에서, 이 원소들을 외부로 방출할 수 있다. 별 핵합성에 의해 형성된 주요 원소는 그림 1에 초록색으로 표시되어 있다.
- 초신성 핵합성 (Supernova nucleosynthesis)
우리 은하와 같은 비율의 무거운 원소를 함유한 은하에서는, 생성 초기 별의 질량이 태양의 8배를 넘으면 핵합성을 통해 중심부에 철이 쌓이게 된다. 철이 우주에서 가장 안정한 원소이므로, 일단 철이 만들어지면 더이상의 핵합성 반응이 일어나지 않아 별의 중심부에 철로 구성된 핵이 형성된다. 이 핵의 질량이 찬드라세카 한계를 넘으면, 중력에 의해 핵이 붕괴하여 중성자별이 생성된다. 이 과정에서 많은 중성미자가 방출되면서 초신성 폭발이 일어나, 철보다 무거운 원소들이 만들어진다. 초신성 폭발의 핵합성에 의해 형성된 핵들은 원자번호 130 영역에서 최대 분포를 이룬다. 1987년에 관측된 초신성 1987A에서 철보다 무거운 ⁵⁶Co와 ⁵⁷Co가 많이 만들어진 것이 확인되었다. 한계 질량에 이른 백색왜성이 외부에서 물질이 유입될 경우 초신성 폭발을 일으킬 수 있다. 이 경우에도 핵합성이 이루어진다. 초신성 핵합성에 의해 형성된 주요 원소는 그림 1에 노란색(무거운 별의 폭발)과 회색(백색왜성의 폭발)으로 표시되어 있다.
- 중성자별 충돌에 의한 핵합성
초신성 폭발에 의한 형성이 어려운 무거운 핵들은 중성자별 충돌에서 생성된다. 중성자별 충돌은 중성자가 매우 많은 환경을 조성하여, 무거운 핵의 합성을 가능하게 한다. 중성자별 충돌에 의한 핵합성으로 만들어진 핵들은 원자번호 195 영역에서 최대 분포를 이룬다.
최초의 중성자별 충돌 관측은 2017년 8월 17일에 이루어졌다. 중성자별 충돌 과정에서 발생한 중력파 GW170817이 검출된 뒤 약 2초뒤에 감마선폭발 GRB 170817A가 검출 되었으며, 이후 엑스선에서 전파까지 다양한 파장의 전자기파가 관측되었다. 이들 관측을 분석하여 이 중성자별 충돌에서 금(Au)을 비롯한 무거운 원소들이 생성되었음을 간접적으로 확인하였다. 중성자별 충돌에 의한 핵합성에 의해 형성된 주요 원소는 그림 1에 보라색으로 표시되어 있다.
- 우주선 핵파쇄 (Cosmic ray spallation)
우주에서 빠르게 움직이는 우주선(cosmic ray)이 성간 물질과 충돌하여 핵분열을 일으킬 수 있는데, 그림 1에 표시된 Be, B이 우주선 핵파쇄에 형성된 주요 원소이다.
- 인공 핵합성
일부 희귀 원소는 지상의 가속기에서 인공적으로 형성될 수 있다. 국내에도 희귀 동위원소 생성을 목표로 하는 가속기 라온(RAON)이 건설 중에 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
