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핵반응
핵반응(nuclear reaction)은 입자 내부에서 핵에너지를 가지고 있는 원자핵이 서로 합쳐지거나 나뉘는 현상을 의미한다. 합쳐지는 현상은 핵융합, 나뉘는 현상은 핵분열이라고 한다. 핵융합은 2개 이상의 가벼운 원소의 원자핵을 무거운 원소의 원자핵으로 융합시킬 때, 매우 많은 핵에너지를 방출한다. 하지만 초기에 높은 에너지를 투입해야 하고, 반응을 하는 동안 고온/고압 상태를 유지해야 하는 어려움이 있다. 핵분열은 무거운 중원소의 원자핵에 하나의 중성자를 충돌시키면 질량이 같은 두 원자핵으로 분열하며 2~3개의 중성자와 핵에너지를 방출한다. 중성자가 더 많이 나오기 때문에 계속 연쇄반응을 일으킬 수 있다. 이 외에 아무런 에너지 투입 없이 원자핵 스스로 에너지를 방출하며 다른 원자핵으로 변하는 현상인 방사성 붕괴도 있다.
상세
원자핵이 양성자·중성자 등 다른 입자의 충돌로 인하여 원자번호·질량수 등이 다른 별개의 원소의 원자핵으로 변환되는 과정이며 원자핵반응이라고도 한다. 핵반응을 연구함으로써 핵 자체의 구조 또는 핵력 자체를 알 수 있을 뿐 아니라 자연에서는 볼 수 없는 새로운 핵을 만들어낼 수도 있다.
충돌입자로는 α입자나 i선 광자가 쓰일 수도 있고, 양성자나 중수소(重水素), 무거운 이온입자라든가 가속장치로 가속되어 핵반응을 일으킬 만한 에너지를 가진 입자들을 쓸 수 있다. 이때 어느 입자를 쓰든지 타깃인 원자핵 둘레를 둘러싸고 있는 전자구름을 뚫고 들어가서 그 핵 가까이에 접근할 수 있어야 하며, 핵력이 작용할 수 있어야 한다. 핵력은 전기력의 100배 이상으로서 강하다. 핵력은 10-13cm 정도밖에는 그 힘이 미치지 못한다.
전형적인 핵반응을 보면, 무거운 핵이 타깃이 되고 가벼운 입자가 충돌하게 되는데 이때 일반적으로 더 무거운 핵 하나와 더 가벼워진 핵 하나가 튀어나온다. 1919년 처음으로 핵반응이 관측되었는데, E.러더퍼드는 천연 동위원소인 폴로늄에서 나오는 α입자(헬륨핵)를 질소핵에 충돌시켰을 때 튀어나오는 입자가 양성자임을 알아냈고, 새로 생긴 무거운 입자는 산소의 동위원소임을 처음으로 밝혀냈다.
이 반응을 식으로 나타내면 ¹⁴N₇＋⁴He₂ → ¹H₁＋ ¹⁷O₈ 과 같다. 여기서 기호의 왼쪽 위 어깨 숫자는 질량수를 나타내며 왼쪽 질량수의 합은 오른쪽 수의 합과 같다. 이는 핵자(核子:양성자·중성자의 총칭)수의 보존을 나타내고, 기호의 오른쪽 아래 숫자는 양성자 수를 나타내며, 식 양변의 합이 같다는 것은 전하량보존을 나타낸다.
이 반응은 약식으로 ¹⁴N₇ (α,p) ¹⁷O₈로 나타내기도 한다. 타깃은 질소핵이고 충돌입자는 α입자이며, 튀어나온 입자는 양성자이다. 이때 생긴 핵은 산소의 동위원소임을 나타낸다. 핵반응은 흔히 충돌입자와 튀어나온 입자의 이름을 따서, 예컨대 (α,p)핵반응이라 한다.
어떤 핵반응에서는 2개 이상의 핵이 쪼개져 나올 때가 있다. 즉핵분열의 경우를 보면 질량이 비슷한 핵 2개와 여러 개의 중성자가 튀어나온다. 인공으로 가속된 입자로 생긴 첫 핵반응은 양성자를 가속시켜 리튬에 충돌시켜 헬륨핵, 즉 α입자 2개가 생기는 반응이었다. 가속입자의 에너지가 커지면서 여러 가지 큰 에너지 핵반응이 관측되었으며, 중간자·중핵자·공명입자 등이 생겼다.
핵반응을 연구함으로써 핵 자체의 구조 또는 핵력 자체를 알 수 있을 뿐 아니라 자연에서는 볼 수 없는 새로운 핵을 만들어낼 수도 있다. 이 새로운 핵을 이용하여 핵 자체의 성질을 밝히기도 하고, 공학·의학·생물학·화학 등에 이용하기도 한다. 재료검사·암치료·공정검사 등 용도는 다양하다.
핵반응으로 초(超)우라늄원소가 만들어지기도 한다. 원자번호 Z가 자연에서 존재하는 최대수 92인 우라늄보다 더 큰 핵을 가진 원소는 우라늄핵을 중성자로 충돌시킴으로써 만들 수 있다. 큰 에너지입자가 가지는 물질파(物質波)의 파장은 극히 짧아서 이러한 입자로 타깃입자를 조사(照射)하여 그 핵 속의 물질이나 전하의 밀도 등을 알아낼 수 있다. 이 경우 이용되는 핵반응은 탄성반응이어서 이때 원자수나 질량수가 불변할 뿐 아니라 들뜸에너지가 0인 전자를 원자핵에 조사하여 그 산란을 알아내어 타깃핵의 전하밀도를 알아낼 수 있다.
운동량과 에너지의 보존은 핵반응에도 성립된다. 마지막 생성물의 총에너지가 충돌입자와 타깃입자의 전체 운동에너지보다 클 때는 에너지가 생긴 것이며 이 반응은 발열적이다. 만일 반응 후 에너지가 반응 전보다 작다면 이 반응은 흡열적이다. 앞의 경우 그 반응이 일어나려면 최소 필요에너지가 있는데, 즉 문턱에너지를 가져야 한다. 태양이나 별의 핵반응은 발열적이다.
종류의 예
헬륨 핵융합 반응
오른쪽 그림 1은 양성자로부터 시작하여 헬륨이 생성되는 핵융합 반응 중의 한 단계를 보여준다. 이 반응은 태양 에너지의 원천이 되는 매우 중요한 반응이다. 이 반응에서 중수소(Deuterium) 와 삼중수소(Tritium)가 핵융합하여 헬륨 원자가 생성되면서 중성자 와 에너지가 방출된다. 이처럼 핵융합이 발생할 때 매우 많은 핵에너지가 방출되므로, 지구상에서도 인공적으로 핵융합을 일으켜 새로운 에너지원으로 이용하고자 하는 연구가 토카막(Tokamak)이라고 부르는 장치를 이용하여 진행되어 오고 있다. 그러나 반응 환경을 매우 높은 고온/고압 상태로 유지해야하는 등의 어려운 문제가 많아 연구의 진전은 매우 느린 편이다.
우라늄 핵분열 반응
핵분열에서는 무거운 원소의 원자핵에 하나의 중성자를 충돌시켜 가벼운 원자핵 두 개로 분열시키면서 2~3개의 중성자와 핵에너지를 방출한다. 그림 2는 원자량이 235인 자연우라늄 핵에 중성자를 충돌시켜 236 인공우리늄을 만들고 이를 쪼개 144 바륨과 89 크립톤을 생성하면서 중성자 3개를 방출하는 핵분열 반응을 보여준다. 이 반응은 원자력 발전에 사용되는 대표적인 핵분열 반응이다. 한개의 중성자를 투입하여 다수의 중성자가 방출되기 때문에 핵분열은 계속적으로 연쇄반응을 일으킬 수 있다. 급격하게 연쇄반응을 일으키면 핵폭탄이 되고, 방출되는 중성자의 개수를 감속재 등을 이용하여 흡수하여 연쇄반응의 속도를 낮추면 원자력 발전이 된다.
핵변환
아무런 에너지 투입 없이 원자핵 스스로 에너지를 방출하며 다른 원자핵으로 변하는 현상도 핵반응의 일종으로 불 수 있는데 이를 방사성 붕괴(radioactive decay) 또는 핵붕괴 라고 한다. 이 반응에서는 원자핵 안에 있는 양성자가 중성자가 되거나 중성자가 양성자가 되어 원자핵의 종류가 변하므로, 핵변환(Nuclear transmutation)이라고도 한다. 이 과정에서 전자 또는 양전자가 방출되거나 전자가 흡수된다. 중성미자(neutrino) 또는 반중성미자(antineutrino)도 방출되는데 일반적인 방법으로는 감지되지 않는다. 중성자가 양성자로 변환되는 과정에서 나오는 전자가 베타선(beta ray)의 본질이고 이것을 베타붕괴(beta decay)라고 한다. 어떤 원소의 핵에서 이러한 일이 일어나면 질량은 거의 변하지 않지만 원자번호가 하나 증가한 원소가 된다. 핵은 핵자들 각각의 상태 또는 집단적인 전체 상태에 따라 여러 에너지준위가 가능하며 높은 에너지 상태에 있던 핵이 낮은 에너지 상태로 전이할 때 그 에너지 차이만큼의 에너지를 가지는 광자(photon)가 방출된다. 이것이 감마선(gamma ray)이다.
참고자료
같이 보기
