22강. 핵화학
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1. 개요 [목차]
⑴ 원자의 구조
① 원자 : 원자핵 + 전자
② 원자핵 : 양성자 + 중성자
③ 양성자 : 업 쿼크 × 2, 다운 쿼크 × 1
④ 중성자 : 업 쿼크 × 1, 다운 쿼크 × 2
⑤ 전자 : 렙톤 × 1
⑵ 원자 질량 단위(amu, atomic mass unit)
① 1 u = 1.6605 × 10-27 kg
② 12 u : 탄소 원자 1개의 질량
③ 12 g : 탄소 원자 1 NA개의 질량
④ 양성자 : 1.0073 u
⑤ 중성자 : 1.0087 u
⑥ 전자 : 0.0005 u, 양성자 질량의 1/1840
2. 핵반응 [목차]
⑴ 핵분열 반응
① 핵분열 : 하나의 핵종이 원래와 서로 다른 핵종으로 나눠지는 현상
○ (구별개념) 핵붕괴 : 원자핵을 구성하는 입자가 떨어져 나가거나 변하는 현상
② 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리가 예측하는 에너지가 방출됨
○ 분열 전 원자핵들의 질량합 ＞ 분열 후 원자핵들의 질량합
○ (주석) 핵융합 반응에서 융합 전 원자핵들의 질량합 ＞ 융합 후 원자핵들의 질량합임을 주의
③ 핵분열, 핵붕괴가 일어나는 이유
○ 가벼운 원소는 중성자 : 양성자 = 1 : 1일 때 안정
○ 무거운 원소는 중성자 : 양성자 = 1.5 : 1일 때 안정
④ 핵분열 반응의 종류
○ 하나의 방사핵종이 하나의 반응만 하는 것은 아님 : 일정한 확률로 각 반응을 수행
○ 종류 1. 베타 붕괴(beta decay)
○ β- 붕괴라고도 함
○ 베타입자(β particle)는 일반적으로 β-인 전자를 의미 : 양전자, 전자를 통틀어 이를 때도 있음
○ 종류 2. 양전자 방출(positron emission)
○ β+ 붕괴라고도 함
○ 양전자 : 전자의 반입자
○ 전자와 양전자가 결합하면 빛이 되며 쌍소멸
○ 종류 3. 전자 포획(electron capture, EC)
○ EC로 인해 K shell 전자를 포획하여 X선, 감마선, Auger 전자 등을 야기함
○ Auger 전자 : EC 또는 콤프턴 효과에 의해 떠밀려 나온 전자이므로 에너지가 작음
○ 종류 4. 알파 붕괴(alpha decay) : 알파입자(α particle)는 헬륨 원자핵을 의미
○ 종류 5. 감마선 방출(gamma decay)
○ 원자핵 구성에는 변화 없음
○ 에너지 state만 변함
○ 방사선의 투과력
○ 알파선 : 종이를 통과하지 못함
○ 베타선 : 종이를 통과하지만 알루미늄 판을 통과하지 못함
○ 감마선, 엑스선 : 종이, 알루미늄 판을 통과하지만 납을 통과하지 못함
○ (참고) 입자파보다 전자파가 더 투과력이 좋음
⑵ 핵융합 반응
① 개요
○ 정의 : 작은 원자핵이 융합하여 큰 원자핵을 형성하는 반응
○ 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리가 예측하는 에너지가 방출됨
○ 융합 전 원자핵들의 질량합 ＞ 융합 후 원자핵들의 질량합
○ (주석) 핵분열 반응에서 분열 전 원자핵들의 질량합 ＞ 분열 후 원자핵들의 질량합임을 주의
② 예 1. 주계열성의 핵융합반응
○ 주계열성 중심부의 수소 원자핵들이 융합하여 헬륨 원자핵으로 변환됨
○ 질량 결손에 의한 에너지가 태양 에너지의 근원이 됨
③ 예 2. 토카막(Tokamak)에서의 핵융합 : 인공태양이라고도 함
○ 핵융합 반응식
○ 핵융합로
⑶ 핵자당 결합에너지 : 핵분열과 핵융합의 경향성을 설명하는 이론
① 철이 가장 크고 원자량이 늘어날수록 감소
② 핵분열과 핵융합의 경향성 : 일반적으로 핵융합하는 원소는 핵융합만 하고 핵분열하는 원소는 핵분열만 함
③ 별의 최종 생성 원소가 철인 이유 : 핵융합이 우세한 원소는 철 이전까지이기 때문
⑷ 핵반응 속도론
① 반응 속도식 : 1차 반응
② 적분 속도식
③ 반감기 : 반감기가 일정함
④ 연속 반응
3. 응용 1. 원자력 발전 [목차]
⑴ 정의 : 핵분열을 이용하는 발전 형태
① 원자력 발전
○ 2-5% 우라늄 원료 사용
○ 연쇄반응 느림
○ 발전에 필요한 310 ℃ 정도의 물을 끓일 수 있는 열만 발생
② (참고) 원자폭탄
○ 90% 이상의 고농축 우라늄 235가 대부분 구성
○ 연쇄반응 빠름
⑵ 우라늄의 핵분열 과정
㉠은 중성자임
① 전하보존의 법칙이 성립
② 에너지보존의 법칙이 성립
③ 질량보존의 법칙이 성립하지 않음 : 핵분열 후 방출되는 에너지는 질량결손에 의한 것
⑶ 핵분열 필수조건
① 임계질량 : 핵분열이 지속되기 위해서는 충분한 양의 우라늄 필요
② 연쇄반응 : 반응이 지속적으로 일어나도록 해야 함
③ 감속재 : 중성자의 속력을 늦춰서 우라늄에 잘 흡수되도록 해야 함
④ 제어봉 : 핵반응에서 방출된 중성자를 흡수하는 역할
⑷ 종류
① 비등수로
○ 감속재 : 핵분열의 연쇄반응을 위한 재료
○ 냉각재 : 원자로의 온도 유지를 위한 재료
② 가압수로
③ 흑연감수로
○ 이산화탄소(냉각재), 흑연(감속재) 사용
○ 연료 교체를 위한 원자로 정지가 불필요
④ 고속증식로
○ 물(냉각재), 나트륨(감속재) 사용
○ 천연 우라늄 활용 가능, 화재 위험성
⑸ 경수와 중수
① 경수 : 보통의 물
② 중수 : 중수소, 삼중수소로 만들어진 물
③ 가격 : 중수 ＞ 경수
④ 감속재 성능 : 중수 ＞ 경수
⑤ 플루토늄 획득 용이성 : 중수 ＞ 경수
⑹ 우라늄 농축
① 원자력 발전의 재료 : 우라늄 235
② 천연 우라늄의 구성비율 : 우라늄 235(0.3%), 우라늄 238(99.7%)
③ 농축 이유 : 연쇄반응을 하려면 2-5% 우라늄이 필요
④ 농축 방법 : 기체확산법, 원심분리법, 노즐법, 이온교환법
4. 응용 2. 핵무기 [목차]
⑴ 종류 1. 핵분열 무기(fission weapon) : 원자폭탄(atomic bomb)이라고도 함
⑵ 1-1. 우라늄 핵무기
① 자연 우라늄
○ U-238 : 가장 흔하게 존재하는 핵종
○ U-235 : 자연 우라늄의 0.7%. 우라늄 핵무기에 사용되는 연료
○ U-234 : 0.005%
② 원리
Figure. 6. 우라늄 핵무기의 원리
○ 우라늄 원자핵의 핵분열 과정을 이용함 : Figure. 5. 참고
○ 단계 1. 우라늄의 밀도가 충분히 높지 않으면 중성자 연쇄 반응이 일어나지 못함
○ 단계 2. subcritical mass를 가지는 두 개의 우라늄 덩어리를 총알처럼 부딪히게 하여 supercritical mass에 도달
○ 단계 3. chain reaction 및 atomic explosion
③ 예 1. 히로시마 원자폭탄 (일시 : 1945.08.06, 폭탄명 : Little Boy)
○ 50 kg의 U-235를 함유 : 15,000 톤의 TNT와 맞먹는 에너지
⑶ 1-2. 플루토늄 핵무기
① 원리
○ 단계 1. 흔한 우라늄인 U-238로부터 Pu-239 생성
○ 단계 2. spherical core (i.e., plutonium pit)과 같은 특수한 장치 내에 Pu-239를 넣음
○ 단계 3. 밀도 증가에 의해 Pu-239가 subcritical mass에서 supercritical mass에 도달
○ 단계 4. chain reaction 및 atomic explosion
② 예 1. 나가사키 원자폭탄 (일시 : 1945.08.09, 폭탄명 : Fat Man) : 두 번째 플루토늄 핵무기
③ 예 2. Gadget : 첫 번째 플루토늄 핵무기
④ 예 3. 북한 핵무기
⑷ 종류 2. 핵융합 무기(fusion weapon) : 수소폭탄(hydrogen bomb), 열화학폭탄(thermonuclear bomb)이라고도 함
① 핵분열 무기는 TNT 500 kiloton 정도 위력이 상한선
② 핵융합 무기는 TNT 50 megaton 정도의 위력까지 만들 수 있음
③ 원리 : 액화 deuterium, tritium이 사용됨
④ 예 1. Ivy Mike
⑸ 핵무기 현황
① 러시아 : 6600개
② 미국 : 6450개
③ 프랑스 : 300개
④ 중국 : 290개 (추정)
⑤ 영국 : 215개
⑥ 파키스탄 : 130 ~ 140개 (추정)
⑦ 인도 : 120 ~ 130개 (추정)
⑧ 이스라엘 : 80개 (추정)
⑨ 북한 : 10 ~ 20개 (추정)
5. 부록: 방사선 [목차]
⑴ 방사능
① 정의 : 원자핵이 방사선을 방출하며 안정한 원자핵이 되려는 성질, 방사선을 방출하는 능력
② SI 단위 : Bq (베르켈)
○ 1 dps : 1초 동안 붕괴할 수 있는 능력
○ 1 Bq = 1개 / 초 = 1 dps
③ 관용단위 : Ci (큐리)
○ 1 Ci = 3.7 × 1010 Bq
○ 1 Bq = 2.7 × 10-11 Ci
○ 1 Ci는 226Ra 1g의 방사능과 같음
⑵ 방사선
① 정의 : 핵반응을 통해 방출하는 빛 에너지
② 방사선량 : 방사선의 양, 일반적으로 흡수선량을 나타냄(dose)
③ 선량률 : 단위시간당 방사선량
③ 방사선 = 인공방사선 + 자연방사선
④ 인공방사선 : 인위적으로 사용하는 것
⑤ 자연방사선 : 자연 상태에서 존재. 지각 방사선과 우주 방사선으로 분류
○ 세계 평균 피폭량 : 1인당 연간 2.4 mSv
○ 대한민국 : 연간 약 3.1 mSv
⑶ 조사선량(X)
① 공기중에 흡수된 방사선의 양
② SI 단위 : C/kg
○ 공기 1 kg 중에 1 C의 이온을 만드는 γ(X)선의 양
③ 관용단위 : R(뢴트겐)
○ 1 R = 2.58 × 10-4 C/kg
⑷ 흡수선량(D)
① 피폭물질이 단위질량당 흡수하는 방사선의 양
② SI 단위 : Gy, cGy(그레이)
○ 1 Gy = 1 J/kg
③ 관용단위 : rad(래드)
○ 1 Gy = 100 rad
⑸ 등가선량 또는 선량당량(H)
① 방사선 피폭의 인체 위해도를 평가하는 척도
○ 등가선량 = 흡수선량 × 방사선 가중치
○ 방사선 가중치
○ X, γ, β = 1
○ 중성자 = 5 ~ 20
○ 핵분열 및 생성 = 20
② SI 단위 : Sv, mSv(시버트)
③ 관용단위 : rem(램)
○ 1 Sv = 100 rem
⑹ 유효선량(E)
① 인체 조직별로 흡수된 방사선의 양
○ 유효선량 = 등가선량 × 조직 가중치
○ 조직 가중치
○ 생식샘 = 0.2
○ 골수, 위, 폐 = 0.12
○ 방광, 유방, 간, 식도, 갑상선 = 0.05
○ 뼈, 피부 = 0.01
② SI 단위 : Sv
③ 관용단위 : rem
⑺ 방사선과 관련된 현상
① 안개상자 실험 : 단열 팽창을 이용하여 방사선의 궤적을 관찰하는 실험
○ (가) : 공기가 들어 있는 상자 내부에 수증기를 넣고 수증기가 응결되지 않은 상태로 단열 팽창시킨 모습
○ (나) : (가)의 단열 팽창된 상자 내부에 방사선이 지나갈 때 궤적을 따라 수증기가 물로 응결된 모습
② 오제효과(Auger effect)
○ 1st. 외부 방사선을 받은 특정 원자의 내부전자가 방출
○ 2nd. 그 원자의 비교적 바깥쪽에 있던 전자가 그 빈 자리를 채움
○ 3rd. X선이 방출됨
③ 방관자효과(bystander effect)
○ 방사선을 맞지 않은 세포도 사멸하는 현상
○ 방사선을 맞은 세포에 의한 신호 전달이 원인인 것으로 여겨짐
⑻ 방사선의 위험성
① 피폭선량과 급성 영향의 관계 (출처 : ICRP 103)
○ 피폭선량 ≤ 0.1 Gy : 임상적 증상이 거의 없음
○ 피폭선량 = 0.5 Gy : 조혈 기능 저하
○ 피폭선량 = 1-2 Gy : 10%의 사람이 사망
○ 피폭선량 = 4 Gy : 60일 안에 50%의 사람이 사망
○ 피폭선량 = 5-7 Gy : 90%의 사람이 사망
입력: 2019.03.16 17:06
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