물리학 고3 양자와 미시세계 심화

핵물리와 방사능

원자핵의 구성(양성자·중성자), 결합 에너지, 핵분열·핵융합 및 α·β·γ 붕괴를 탐구한다.

원자핵이 무엇으로 이루어져 있고, 왜 어떤 핵은 안정하고 어떤 핵은 방사선을 내며 무너지는지, 그리고 핵이 쪼개지거나 합쳐질 때 왜 큰 에너지가 나오는지를 다루는 분야입니다.

화학 반응이 원자의 '겉껍질'인 전자를 주고받는 일이라면, 핵반응은 원자의 '심장'을 건드리는 일입니다. 그래서 나오는 에너지의 크기가 백만 배 규모로 차이 납니다.

쉽게 말하면

원자핵은 양성자와 중성자(둘을 묶어 핵자)로 이루어져 있습니다. 그런데 양성자들은 모두 (+)전하라 서로 강하게 밀어냅니다. 그럼에도 핵이 뭉쳐 있는 것은 훨씬 강한 인력, 즉 강한 핵력이 아주 짧은 거리에서 작용하기 때문입니다. 자세한 구성은 원자핵 구조에서 다룹니다.

핵물리의 에너지가 큰 이유는 질량-에너지 등가에 있습니다. 핵자들이 뭉쳐 핵을 이루면 전체 질량이 각각의 질량을 더한 것보다 줄어드는데, 그 사라진 질량이 $E = Δ m c^{2}$ 만큼의 에너지로 바뀌어 이미 방출된 상태입니다. 그 반대로 핵을 부수려면 같은 에너지를 도로 넣어야 합니다. 이것이 질량 결손과 핵결합 에너지입니다.

핵자 하나당 결합 에너지는 철 부근에서 가장 큽니다. 즉 철 근처의 핵이 가장 단단하게 묶여 있습니다. 그래서 철보다 무거운 핵은 쪼개질 때, 철보다 가벼운 핵은 합쳐질 때 더 단단한 쪽으로 가면서 에너지를 내놓습니다. 핵분열과 핵융합이 정반대의 과정인데도 둘 다 에너지를 내는 이유가 바로 이 하나의 그래프에 있습니다.

안정한 짝을 이루지 못한 핵은 알파·베타·감마 방사선을 내며 더 안정한 핵으로 바뀝니다(방사성 붕괴). 알파 붕괴는 고전적으로는 불가능한 일이 터널 효과 덕분에 일어나는 것이라, 핵물리는 양자역학과 떼어놓고 볼 수 없습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

핵자당 결합 에너지 곡선이 말해 주는 것

가로축을 질량수, 세로축을 핵자당 결합 에너지로 그리면 철 부근에서 봉우리를 이루는 곡선이 나옵니다. 이 봉우리를 향해 가는 변화만 에너지를 내놓습니다. 무거운 우라늄은 쪼개져야 봉우리 쪽으로 가고, 가벼운 수소는 합쳐져야 봉우리 쪽으로 갑니다.
예시 2

핵반응의 에너지 규모

화학 반응에서 원자 하나가 주고받는 에너지는 대략 몇 $eV$ 규모인데, 핵반응은 $MeV$ 규모입니다. 백만 배 차이입니다. 핵연료 1 g으로 낼 수 있는 에너지가 석탄 몇 톤에 맞먹는 이유가 이 자릿수 차이입니다.
예시 3

왜 별은 철에서 멈추는가

별은 가벼운 핵을 융합해 에너지를 얻습니다. 그런데 철까지 도달하면 더 이상 융합해도 에너지가 나오지 않습니다 — 봉우리 너머로 넘어가는 일이라 오히려 에너지를 넣어야 합니다. 그래서 무거운 별의 중심에 철이 쌓이면 에너지 공급이 끊기고 별이 붕괴합니다.

자주 하는 오해

핵분열과 핵융합 중 하나만 에너지를 낸다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움쪼개면 에너지가 나오니, 합치면 에너지를 넣어야 한다

실제로는무거운 핵은 쪼갤 때, 가벼운 핵은 합칠 때 에너지가 나옵니다. 기준은 '쪼개느냐 합치느냐'가 아니라 '철 쪽으로 가느냐'입니다.

에너지가 나오는 조건은 반응 후 핵자당 결합 에너지가 커지는 것입니다. 결합 에너지 곡선이 철에서 봉우리를 이루므로, 봉우리의 오른쪽(무거운 쪽)에서는 분열이, 왼쪽(가벼운 쪽)에서는 융합이 봉우리 방향입니다. 방향이 반대인 두 반응이 같은 곡선의 양쪽 비탈일 뿐입니다.

방사능과 방사선, 방사성 물질을 같은 말로 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움'방사능이 묻었다', '방사능을 쬐었다'

실제로는방사선은 나오는 것(알파·베타·감마), 방사능은 방사선을 내는 능력(세기), 방사성 물질은 그 능력을 가진 물질입니다.

구별이 실제로 중요합니다. 방사선을 쬐는 것(피폭)과 방사성 물질이 몸에 들어오는 것(오염)은 대처가 전혀 다릅니다. 엑스선 촬영은 방사선을 쬐는 것이지 몸이 방사성 물질이 되는 것이 아닙니다.