핵 결합 에너지

Nuclear binding energy

실험물리학에서 핵 결합 에너지원자핵을 구성 양자와 중성자로 분해하는데 필요한 최소 에너지로서, 집합적으로 핵이라고 알려져 있다.핵이 서로 분리되기 위해서는 에너지를 얻어야 하기 때문에, 안정된 핵에 대한 결합 에너지는 항상 양수다.핵은 강한 핵력에 의해 서로 끌어당긴다.이론적 핵물리학에서 핵 결합 에너지는 음수로 간주된다.이러한 맥락에서 그것은 구성핵이 무한히 멀리 떨어져 있을 때 구성핵의 에너지에 상대적인 핵의 에너지를 나타낸다.실험과 이론 모두 등가인데 결합 에너지가 무엇을 의미하는지 강조점이 약간 다르다.

원자핵의 질량은 자유 성분 양성자와 중성자의 개별 질량의 합보다 적다.질량의 차이는 아인슈타인 방정식 E=mc로2 계산할 수 있는데 여기서 E는 핵 결합 에너지, c는 빛의 속도, m은 질량의 차이다.이 '실종 질량'은 질량 결함으로 알려져 있으며, 핵이 형성되었을 때 방출된 에너지를 나타낸다.[1]

"핵 결합 에너지"라는 용어는 핵이 둘 이상의 핵으로 구성된 조각으로 쪼개지는 과정에서 에너지 균형을 의미할 수도 있다.가벼운 핵 퓨즈(핵융합)나 무거운 핵이 갈라질 때(핵분열) 새로운 결합 에너지를 이용할 수 있다면, 어느 과정이든 이 결합 에너지가 방출되는 결과를 초래할 수 있다.이 에너지는 핵 에너지로 사용할 수 있고 원자력이나 핵무기에서처럼 전기를 생산하는 데 사용될 수 있다.큰 핵이 산산조각으로 갈라지면 감마선과 다양한 분출 입자의 운동 에너지(핵분열 생성물)로 과잉 에너지가 방출된다.

이러한 핵 결합 에너지와 힘은 수소처럼 가벼운 원자의 전자 결합 에너지보다 100만 배나 큰 질서에 있다.[2]

소개

원자력

핵에너지의 흡수 또는 방출은 핵반응이나 방사능 붕괴에서 발생한다; 에너지를 흡수하는 것을 내열반응이라고 하고 에너지를 방출하는 것을 발열반응이라고 한다.에너지는 핵 변환의 들어오는 생산물과 나가는 생산물 사이의 핵 결합 에너지의 차이 때문에 소비되거나 해방된다.[3]

가장 잘 알려진 종류의 발열 핵 변환은 핵분열핵융합이다.핵에너지는 (우라늄과 플루토늄과 같은) 무거운 원자핵이 가벼운 핵으로 분열될 때, 원자핵분열에 의해 해방될 수도 있다.핵분열로 인한 에너지는 전 세계 수백 곳에서 전력을 생산하는데 사용된다.핵에너지는 수소 같은 가벼운 이 결합되어 헬륨과 같은 무거운 핵이 형성될 때 또한 원자핵융합 중에 방출된다.태양과 다른 별들은 핵융합을 사용하여 열 에너지를 생성하는데, 이는 나중에 표면에서 복사되는 별 핵합성의 한 종류다.어떤 발열 핵 과정에서, 핵 질량은 결국 열로 주어지는 열 에너지로 변환될 수 있다.

방출되거나 핵 투과에 흡수된 에너지를 정량화하기 위해서는 투과와 관련된 핵 요소의 핵 결합 에너지를 알아야 한다.

원자력은

전자와 핵은 정전기에 의해 함께 유지된다(음극은 양자를 끌어당긴다).게다가, 전자는 때때로 이웃한 원자에 의해 공유되거나 그것들에게 전달된다; 원자들 사이의 이 연결고리는 화학적 결합이라고 불리며 모든 화학적 화합물의 형성을 책임진다.[4]

모든 양자는 양전하를 띠며 서로를 밀어내기 때문에 전력은 핵을 함께 지탱하지 않는다.만약 두 개의 양성자가 접촉하고 있다면, 그들의 반발력은 거의 40 뉴턴이 될 것이다.각각의 중성자는 총 전하 0을 전달하기 때문에 양성자가 중성자를 전기적으로 양극화하도록 유도할 수 있다면 양성자는 중성자를 전기적으로 끌어들일 수 있다.그러나 두 양성자 사이에 중성자가 있으면(상호 반발력이 10N으로 감소함) 전기 4극(++ -) 배열에서만 중성자를 유인할 수 있다.더 많은 양성자를 만족시키는 데 필요한 높은 다중점은 약한 매력을 유발하고, 빠르게 신뢰할 수 없게 된다.

양성자 자기 모멘트중성자 자기 모멘트측정하고 검증한 후에, 그들의 자기력은 적절한 방향을 잡으면 매력적일 수 있는 20 또는 30 뉴턴일 수 있다는 것이 명백해졌다.한 쌍의 양자는 접근하면서 서로에게 10^-13 Jouls of Work를 할 것이다. 즉, 그들은 서로 붙기 위해 ½ MeV의 에너지를 방출해야 할 것이다.반면 한 쌍의 핵이 자력적으로 달라붙으면 외부장이 크게 줄어들기 때문에 많은 핵이 자기 에너지를 많이 축적하기 어렵다.

그러므로 핵력(또는 잔류 강력)이라고 불리는 또 다른 힘은 핵의 핵들을 함께 고정시킨다.이 힘은 훨씬 더 작은 거리에서 쿼크를 핵으로 묶는 강한 상호작용의 잔여물이다.

정상적인 조건에서 핵이 뭉쳐지지 않는다는 사실은 핵력이 더 큰 거리에서는 전기적 반발보다 약해야 하지만 가까운 거리에서는 더 강해야 한다는 것을 암시한다.따라서 단거리 특성이 있다.원자력에 대한 비유는 두 개의 작은 자석 사이의 힘이다: 자석은 함께 붙으면 분리되기 매우 어렵지만, 일단 짧은 거리를 떼어내면 그 사이의 힘은 거의 0으로 떨어진다.[4]

중력이나 전기력과 달리 핵력은 매우 짧은 거리에서만 효과적이다.더 먼 거리에서는 정전기 힘이 지배한다. 양자는 양전하되기 때문에 서로를 밀어내고, 마치 전하와 같이 밀어낸다.그러한 이유로, 예를 들어 수소로 채워진 풍선에서 일반 수소의 핵을 형성하는 양성자들은 헬륨(일부 양성자들이 전자와 결합하여 중성자가 되는 과정)을 형성하기 위해 결합하지 않는다.서로 끌어당기는 핵이 중요해질 만큼 가까이 다가갈 수 없다.극도의 압력온도 조건(예를 들어 항성의 핵 내에서)에서만 그러한 과정이 일어날 수 있다.[5]

핵물리학

지구에는 약 94개의 자연 발생 원소가 있다.각 원소의 원자는 특정 수의 양성자(주어진 원소에 대해 항상 같은 수)를 포함하는 핵과 일부 중성자 수를 가지고 있는데, 이는 대체로 비슷한 수인 경우가 많다.동일한 원소의 두 원자가 서로 다른 중성자 수를 갖는 것을 원소의 동위원소라고 한다.다른 동위원소는 다른 성질을 가질 수 있다. 예를 들어 한 동위원소는 안정적이고 다른 동위원소는 불안정할 수 있으며, 점차 다른 원소가 되기 위해 방사능 붕괴를 겪는다.

수소 핵은 단지 하나의 양성자를 포함하고 있다.그것의 동위원소 중수소 또는 중수소는 양성자와 중성자를 포함하고 있다.헬륨은 2개의 양성자와 2개의 중성자와 탄소, 질소, 산소를 포함하고 있다 - 각각 6, 7 그리고 8개의 입자가 있다.그러나 헬륨 핵은 그것을 만들기 위해 결합하는 두 개의 무거운 수소 핵의 무게 합보다 무게가 덜 나간다.[6]탄소, 질소, 산소도 마찬가지다.예를 들어 탄소핵은 결합하여 탄소핵을 만들 수 있는 3개의 헬륨핵보다 약간 가볍다.이 차이를 질량 결함으로 알려져 있다.

질량결함

질량 결함("질량적자"라고도 함)은 물체의 질량과 그 구성 입자의 질량 합계의 차이를 말한다.1905년 알버트 아인슈타인에 의해 발견되었으며, 에너지와 질량의 등가성을 설명하는 의 공식 E = mc2 사용하여 설명할 수 있다.질량의 감소는 원자 생성의 반응에서 발산되는 에너지와 c2 나눈 것과 같다.[7]이 공식에 의해 에너지를 더하면 질량(중량과 관성 모두)도 증가하는 반면 에너지를 제거하면 질량이 감소한다.예를 들어, 4개의 핵이 포함된 헬륨 원자는 4개의 수소 원자(각각 1개의 핵이 포함된)의 총 질량보다 약 0.8% 적은 질량을 가진다.헬륨 핵은 4개의 핵이 서로 결합되어 있으며, 이들을 결합하는 결합 에너지는 사실상 질량의 0.8%가 누락된 것이다.[8][9]

만약 입자의 조합이 폭발 TNT의 분자에서와 같이 여분의 에너지를 포함하고 있다면, 폭발 후 최종 생산물과 비교하여 여분의 질량을 나타낸다.(단, 이론상으로는 추가 질량이 열로 인해 시스템에서 빠져나와야 하기 때문에 최종 질량은 중지하고 냉각한 후에 무게를 재야 한다.)반면에, 만약 어떤 사람이 그것의 구성 요소들에 입자 시스템을 분리하기 위해 에너지를 주입해야 한다면, 초기 질량은 분리된 후에 구성 요소들의 그것보다 작다.후자의 경우 주입된 에너지는 잠재적 에너지로 "저장"되며, 이는 이를 저장하는 성분의 질량이 증가했음을 보여준다.질량과 에너지는 동등하고, 각각은 다른 유형의 "재산"이기 때문에 모든 유형의 에너지가 시스템에서 질량으로 보여지는 것을 보여주는 예다.[10]

후자의 시나리오는 헬륨과 같은 핵이 있는 경우인데, 이를 양성자와 중성자로 분해하기 위해서는 반드시 에너지를 주입해야 한다.반면에, 만약 수소 원자가 헬륨을 형성하기 위해 결합될 수 있는 반대 방향으로 가는 과정이 존재한다면, 에너지는 방출될 것이다.에너지는 각 핵에 대해 E = Δmc를 사용하여 계산할 수 있으며 여기서 Δm은 헬륨핵의 질량과 4개의 양성자 질량(헬륨의 중성자를 생성하기 위해 흡수된 전자 2개 포함)의 차이점이다.

가벼운 원소의 경우 가벼운 원소에서 조립해 방출할 수 있는 에너지가 감소하고, 그것들이 융합하면 방출할 수 있다.이것은 철/니켈보다 가벼운 핵에 적용된다.무거운 핵의 경우, 그것들을 묶는 데 더 많은 에너지가 필요하며, 그 에너지는 산산조각으로 분해되어 방출될 수도 있다(원자 핵분열이라고 알려져 있다).원자력은 현재 원자로에서 우라늄 핵이 분해되고 방출된 에너지를 전기로 변환되는 열로 포착함으로써 생성된다.

일반적으로, 매우 가벼운 원소는 비교적 쉽게 융합할 수 있고, 매우 무거운 원소는 핵분열을 통해 매우 쉽게 분해될 수 있다; 가운데 있는 원소는 더 안정적이고 실험실과 같은 환경에서 핵융합이나 핵분열을 겪게 하는 것은 어렵다.

철이후 추세가 반전되는 이유는 핵이 분열하도록 하는 경향이 있는 핵의 양전하가 증가하기 때문이다.그것은 핵들을 함께 고정시키는 강한 상호작용에 의해 저항된다.전기력은 강한 핵력에 비해 약할 수도 있지만, 강한 힘은 범위가 훨씬 더 제한적이다: 철핵에서는 각 양성자가 다른 25개의 양성자를 물리치고, 반면 핵력은 가까운 이웃을 묶을 뿐이다.그래서 더 큰 핵의 경우 정전기력은 지배하는 경향이 있고 핵은 시간이 지남에 따라 분열하는 경향이 있을 것이다.

핵이 여전히 커짐에 따라, 이러한 파괴적인 효과는 꾸준히 더 중요해진다.폴로늄(84 양성자)에 도달할 때까지 핵은 더 이상 그들의 큰 양의 전하를 수용할 수 없지만, 각각 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 포함하는 헬륨 핵의 방출인 알파 방사능의 과정에서 그들의 초과 양성자를 상당히 빠르게 방출한다.(헬리움 핵은 특히 안정된 결합이다.)이 과정 때문에 94개 이상의 양성자를 가진 핵은 지구에서 자연적으로 발견되지 않는다(주기적참조).반감기가 가장 긴 우라늄(원자 번호 92) 이상의 동위원소는 플루토늄-244(8,000만년)와 큐륨-247(1600만년)이다.

태양 결합 에너지

핵융합 과정은 다음과 같이 작용한다: 50억년 전, 중력이 수소와 먼지로 이루어진 거대한 구름을 끌어당길 때 새로운 태양이 형성되었고, 그로부터 지구와 다른 행성들도 생겨났다.중력은 에너지를 방출하고 초기 태양을 가열시켰는데, 헬름홀츠가 제안한 방식에서 많이 그렇다.[11]

열 에너지는 원자와 분자의 운동으로 나타난다: 입자 집합의 온도가 높을수록 속도가 더 크고 충돌이 더 폭력적이다.새로 형성된 태양의 중심에 있는 온도가 수소핵간의 충돌로 전기적 저항을 이겨내고, 매력적인 핵력의 단거리까지 끌어들일 수 있을 정도로 커지자 핵이 뭉치기 시작했다.이런 일이 일어나기 시작했을 때, 양자는 중수소와 헬륨으로 결합되었고, 그 과정에서 일부 양자는 중성자(+양전자, 전자와 결합하여 감마선 광자로 소멸하는 양전자)로 변화하였다.이 방출된 핵 에너지는 이제 태양 중심부의 높은 온도를 유지하고, 그 열은 또한 가스 압력을 높게 유지시켜 태양을 현재 크기로 유지하고 중력이 더 이상 압축하는 것을 막는다.이제 중력과 압력 사이에는 안정된 균형이 형성되어 있다.[12]

서로 다른 핵 반응은 양성자-양성자 반응과 탄소-질소 순환을 포함한 태양 존재의 다른 단계에서 우세할 수 있다. 이는 더 무거운 핵물질을 포함하지만, 여전히 헬륨을 형성하기 위한 양성자의 조합이다.

통제된 핵융합 대한 연구인 물리학의 한 부문은 1950년대 이후로 작은 핵들을 더 큰 핵융합 반응에서 유용한 힘을 이끌어내려고 노력해왔는데, 일반적으로 보일러의 증기가 터빈을 바꾸고 전기를 생산할 수 있다.불행히도, 어떤 지상의 실험실도 태양열 발전의 한 가지 특징, 즉 뜨거운 플라즈마를 압축시키고 핵로를 태양 중심부에 가둬놓는 태양의 거대한 질량에 필적할 수 없다.대신에 물리학자들은 플라즈마를 가두기 위해 강한 자기장을 사용하고, 연료로는 더 쉽게 연소되는 무거운 형태의 수소를 사용한다.자기 함정은 다소 불안정할 수 있으며, 핵융합을 겪을 만큼 뜨겁고 밀도가 높은 혈장은 짧은 시간 후에 빠져나가는 경향이 있다.기발한 재주를 부려도 대부분의 경우 구속은 극히 일부분에 지나지 않는다.엑시톤 결합 에너지는 최근 연구로 인해 효율적인 태양 전지의 핵심이 될 것으로 예측되었다.[13]

결합핵

수소보다 큰 작은 핵은 더 큰 핵으로 결합해 에너지를 방출할 수 있지만, 그러한 핵들을 결합할 경우 방출되는 에너지의 양은 수소 핵융합에 비해 훨씬 적다.그 이유는 전체적인 과정이 핵 유인이 작용하도록 하는 것으로부터 에너지를 방출하지만, 에너지가 먼저 주입되어 양자를 함께 힘을 합쳐야 하는데, 이것은 또한 서로 전기 전하를 밀어내기 때문이다.[5]

(양자가 26개인 핵)보다 무게가 더 나가는 원소의 경우, 핵융합 과정은 더 이상 에너지를 방출하지 않는다.심지어 더 무거운 핵에서는 유사한 크기의 핵들을 결합하여 방출되지 않고 소비된다.그렇게 큰 핵으로 (핵의 모든 양자에 영향을 미치는) 전기적 반발력을 극복하려면 핵 끌어당김에 의해 방출되는 에너지(주로 가까운 이웃들 사이에서 효과적이다)보다 더 많은 에너지가 필요하다.반대로 에너지는 실제로 철보다 무거운 핵들을 분해함으로써 방출될 수 있다.[5]

보다 무거운 원소의 핵으로 전기적 반발은 너무 강해서 그 중 일부는 매우 안정적인 결합(알파 입자)을 형성하는 헬륨의 핵인 양의 파편들을 자연적으로 배출하기도 한다.이 자발적 분열은 어떤 핵에 의해 나타나는 방사능의 한 형태다.[5]

납보다 무거운 핵(비스무트, 토륨, 우라늄 제외)은 자연적으로 너무 빨리 분해되어 인공적으로 생산될 수 있거나 무거운 원소의 붕괴 사슬에서 중간체로 나타날 수 있지만 원시 원소로 자연에 나타날 수 없다.일반적으로 핵이 무거울수록 자연적으로 빠르게 붕괴한다.[5]

철핵은 가장 안정된 핵(특히 철-56)이며, 따라서 가장 좋은 에너지원으로는 무게가 가능한 철에서 멀리 떨어져 있는 핵이다.가장 가벼운 것, 즉 수소의 핵(프로톤)을 결합하여 헬륨의 핵(핵)을 형성할 수 있으며, 이것이 바로 태양이 에너지를 생성하는 방법이다.그 대신에, 우라늄이나 플루토늄의 핵이라는 가장 무거운 핵들을 작은 조각들로 분해할 수 있고, 그것이 바로 원자로가 하는 일이다.[5]

핵 결합 에너지

핵 결합 에너지를 예시하는 예는 양성자 6개와 중성자 6개를 포함하는 C(탄소-12)의 핵이다.양자는 모두 긍정적으로 충전되어 서로 밀어내지만, 핵력은 그 거부감을 이겨내고 서로 뭉치게 한다.핵력은 근거리 힘(1.0fm의 거리에서 강하게 매력적이고 2.5fm의 거리를 넘어 극도로 작아진다)이며, 핵 밖에서는 사실상 이 힘의 영향이 관찰되지 않는다.핵력은 또한 중성자를 함께 끌어당긴다, 즉 중성자와 양성자를.[14]

원자핵의 에너지는 (태양계 행성의 중력 에너지와 마찬가지로) 무한 거리까지 떨어져 나간 입자의 에너지에 관해서 음성이므로, 에너지는 원자핵을 개별 양성자와 중성자로 분할하는데 이용되어야 하기 때문이다.질량 분광기는 자신을 형성하는 양성자와 중성자의 질량의 합보다 항상 작은 핵질량을 측정했고, 그 차이는 (E = m c2) 공식에 의해 핵의 결합 에너지를 나타낸다.[14]

핵융합

헬륨의 결합 에너지는 태양과 대부분의 별들의 에너지 원천이다.태양은 74%의 수소(질량으로 측정)로 구성되는데, 원소는 단일 양성자로 구성된 핵을 가지고 있다.에너지는 4개의 양성자가 결합하여 헬륨 핵이 될 때 태양에서 방출되는데, 그 중 2개가 중성자로 변환되는 과정이다.[14]

양성자를 중성자로 전환하는 것은 약한 (핵) 힘이라고 알려진 또 다른 핵력의 결과물이다.약한 힘은 강한 힘과 마찬가지로 범위가 짧지만 강한 힘보다 훨씬 약하다.약한 힘은 중성자와 양성자의 수를 가장 정력적으로 안정된 구성으로 만들려고 한다.40개 이하의 입자를 포함하는 핵의 경우, 이 숫자는 대개 거의 같다.양성자와 중성자는 밀접하게 연관되어 있으며 집합적으로 핵으로 알려져 있다.입자의 수가 최대 약 209개로 증가함에 따라, 안정성을 유지하기 위한 중성자의 수는 양성자의 수를 초과하기 시작하는데, 양성자에 대한 중성자의 비율이 약 3대 2가 될 때까지이다.[14]

수소의 양자는 서로간의 상호 거부감을 충분히 극복하여 강한 핵 유인력의 범위 내에 도달할 수 있는 충분한 속도를 가지고 있어야 헬륨과 결합한다.이것은 핵융합은 매우 뜨거운 가스 안에서만 일어난다는 것을 의미한다.헬륨과 결합할 수 있을 만큼 뜨거운 수소는 그것을 제한하기 위해 엄청난 압력을 필요로 하지만, 그러한 압력은 태양의 중력에 의해 안쪽으로 압착된 중심부 지역에 존재한다.양자를 결합해 헬륨을 형성하는 과정이 핵융합의 한 예다.[14]

지구의 바다는 이론적으로 핵융합을 위해 사용될 수 있는 많은 양의 수소를 포함하고 있으며, 핵융합의 헬륨 부산물은 환경에 해를 끼치지 않기 때문에, 핵융합을 인류의 에너지 수요를 공급하는 좋은 대안으로 생각하는 사람들도 있다.핵융합으로 전기를 발생시키기 위한 실험은 지금까지 부분적으로만 성공했다.충분히 뜨거운 수소는 이온화하여 억제해야 한다.한 가지 기법은 전하 입자(지구의 방사선 벨트에 갇힌 입자처럼)가 자기장 라인에 의해 유도되기 때문에 매우 강한 자기장을 사용하는 것이다.핵융합 실험도 중수소에 의존하는데, 중수소는 더 쉽게 융합하고 가스 밀도는 중간 정도일 수 있다.그러나 이러한 기법에도 불구하고 핵융합 실험은 그 과정에서 얻어지는 것보다 훨씬 더 많은 순 에너지를 소비한다.[14]

결합 에너지 최대값 및 붕괴에 의해 접근하는 방법

탄소, 질소, 산소와 같은 경핵의 주요 동위 원소에서 중성자와 양성자의 가장 안정적인 조합은 숫자가 같을 때(이는 계속 원소 20, 칼슘)이다.그러나 무거운 핵에서는 양자가 작은 부피에 갇혀 서로를 밀어내기 때문에 양자의 파괴 에너지가 증가한다.핵을 함께 쥐고 있는 강한 힘의 기운도 증가하지만, 핵 내부처럼 느린 속도로는 서로 가까운 핵만이 단단하게 묶여 있고, 서로 더 넓게 분리되어 있는 것은 아니다.[14]

핵의 순 결합 에너지는 핵 유인력의 에너지로, 전기력의 파괴 에너지를 뺀 것이다.핵이 헬륨보다 무거워질수록 핵당 순결합 에너지(핵과 성분핵의 질량의 합과 질량의 차이에서 파생됨)는 점점 더 느리게 성장하여 철에서 최고점에 도달한다.핵이 추가되면, 총 핵 결합 에너지는 항상 증가한다. 그러나 전기력의 총 파괴 에너지(다른 양성자를 물리치는 양성자)도 증가하며, 과거의 철도 첫 번째 증가보다 두 번째 증가가 더 크다.철-56 56(Fe)은 핵당 평균 질량이 가장 적다는 것을 의미하는 가장 효율적으로 결합된 핵이다[14].그러나 니켈-62는 핵당 결합 에너지 측면에서 가장 촘촘하게 결합된 핵이다.[15](니켈-62의 높은 결합 에너지는 Fe보다 더 큰 평균 질량 손실로 해석되지 않는데, 이는 니켈이 철-56보다 중성자/프로톤 비율이 약간 높기 때문이며, 더 무거운 중성자의 존재는 니켈-62의 핵당 평균 질량을 증가시키기 때문이다.)

파괴 에너지를 줄이기 위해, 약한 상호작용은 중성자의 수가 양성자의 수를 초과하도록 허용한다. 예를 들어, 철의 주 동위원소는 26개의 양성자와 30개의 중성자를 가지고 있다.또한 중성자의 수가 핵의 수에 대한 가장 안정적인 숫자와 다른 경우에도 동위원소가 존재한다.중성자 대비 양성자 비율이 안정성과 너무 멀면 핵은 양성자에서 중성자, 중성자에서 양성자로 자연적으로 변화할 수 있다.

이 변환을 위한 두 가지 방법은 약한 힘에 의해 매개되며 베타 붕괴 유형을 포함한다.가장 간단한 베타 붕괴에서 중성자는 음전자와 항이뉴트리노를 방출함으로써 양자로 변환된다.중성자가 양성자보다 질량이 약 2.5 전자에 상당하기 때문에 이것은 핵 밖에서 항상 가능하다.핵 내에서만 일어나는 반대 과정에서는, 자유 입자가 아닌 양성자가 양전자와 전자 중성미자를 배출함으로써 중성자가 될 수도 있다.이는 이를 위해 부모와 딸 핵종 사이에 충분한 에너지를 사용할 수 있는 경우 허용된다(필요한 에너지 차이는 1.022MeV, 즉 2개의 전자 질량과 동일하다).부모와 딸의 질량 차이가 이것보다 적다면 양성자가 풍부한 핵은 여전히 전자 포획 과정에 의해 양성자를 중성자로 변환시킬 수도 있는데, 이 과정에서 양성자가 단순히 원자의 K 궤도 전자 중 하나를 포착해 중성자를 방출하고 중성자가 된다.[14]

가장 무거운 핵 중에서 104개 이상의 핵이 포함된 텔루륨 핵(원소 52)으로 시작하는 전기력은 핵의 전체 덩어리가 배출될 수 있을 정도로 불안정할 수 있으며, 보통 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된 알파 입자로 구성된다(알파 입자는 빠른 헬륨 핵이다).(베릴륨-8 또한 매우 빠르게 두 개의 알파 입자로 분해된다.)알파 입자는 매우 안정적이다.이러한 유형의 붕괴는 원자량이 104를 넘어서면서 점점 더 가능성이 높아진다.

결합 에너지의 곡선은 원자 질량에 대한 핵당 결합 에너지를 그래프로 나타낸 것이다.이 곡선은 철과 니켈에서 주 피크를 이루다가 다시 서서히 감소하고 헬륨에서도 좁고 고립된 피크를 가지는데, 이 피크는 매우 안정적이다.자연에서 가장 무거운 핵인 우라늄 U는 불안정하지만 지구의 나이에 가까운 45억 년의 반감기를 가지고 있지만, 그것들은 여전히 상대적으로 풍부하다; 그것들은 (그리고 헬륨보다 무거운 다른 핵들도 태양계 생성 이전의 초신성 폭발과 같은 별의 진화 사건에서 형성되었다.토륨의 가장 흔한 동위원소인 Th도 알파 입자 방출을 겪으며, 그 반감기(원자의 반수가 해독되는 시간)는 몇 배 더 길다.이들 각각의 방사성 붕괴는 딸 동위원소도 불안정하게 만들어, 어떤 안정된 납 동위원소로 끝나는 해독제의 사슬을 시작한다.[14]

핵 결합 에너지 계산

계산을 사용하여 핵의 핵 결합 에너지를 결정할 수 있다.그 계산은 질량 결함을 결정하고, 그것을 에너지로 변환하며, 그 결과를 원자의 몰 당 에너지 또는 핵 당 에너지로 표현하는 것을 포함한다.[1]

질량 결함의 에너지 전환

질량 결함은 핵의 질량과 핵이 구성되는 핵의 질량 합계의 차이로 정의된다.질량 결함은 세 가지 수량을 계산하여 결정한다.[1]이것들은 핵의 실제 질량, 핵의 구성(양자와 중성자의 수), 양성자와 중성자의 질량이다.그 다음 질량 결함을 에너지로 변환한다.이 양은 핵 결합 에너지지만 원자의 몰당 에너지 또는 핵당 에너지로 표현되어야 한다.[1]

핵분열과 핵융합

핵에너지는 원자핵의 분열(분해) 또는 병합(융해)에 의해 방출된다.질량에너지를 에너지의 형태로 변환하는 것은 에너지가 제거될 때 일부 질량을 제거할 수 있으며 질량에너지 동등성 공식과 일치한다.

ΔE = Δm c2,

그 안에서,

ΔE = 에너지 방출,

Δm = 질량 결함,

c = 진공에서 빛의 속도(정의상 물리적 상수 299,792,458m/s)

핵에너지는 1896년 프랑스의 물리학자 앙리 베크렐에 의해 처음 발견되었는데, 그 때 그는 우라늄 근처의 어두운 곳에 저장된 사진 판이 X선 판처럼 검게 그을려 있다는 것을 발견했다(1895년 최근에 X선이 발견되었다).[17]

니켈-62동위원소핵당 결합 에너지가 가장 높다.평균 결합 에너지가 낮은 원자를 평균 결합 에너지가 높은 두 개의 원자로 바꾸면 에너지가 방출된다.또한, 평균 결합 에너지가 낮은 두 개의 원자가 평균 결합 에너지가 높은 원자로 융합되면, 에너지는 방출된다.이 도표는 더 무거운 원자를 형성하기 위한 조합인 수소의 핵융합이 에너지를 방출한다는 것을 보여준다. 우라늄의 핵분열은 더 큰 핵이 더 작은 부분으로 분해된다.안정성은 동위원소마다 다르다: 동위원소 U-235는 더 일반적인 U-238보다 훨씬 덜 안정적이다.

핵에너지는 다음 세 가지 외열성(또는 발열성) 프로세스에 의해 방출된다.

  • 방사성 붕괴, 방사성 핵의 중성자 또는 양성자가 입자, 전자파 방사선(감마선) 또는 둘 다 방출함으로써 자연적으로 소멸한다.방사성 붕괴의 경우 결합 에너지가 증가하는데 반드시 필요한 것은 아니라는 점에 유의한다.엄격히 필요한 것은 질량이 줄어드는 것이다.중성자가 양성자로 변하고 붕괴의 에너지가 0.782343 MeV 미만이면 중성자와 양성자의 질량에 광의 제곱 속도를 곱한 값(스트론튬-87로의 루비듐-87 붕괴 등)으로 핵당 평균 결합 에너지가 실제로 감소한다.
  • 핵융합, 두 개의 원자핵이 서로 융합되어 더 무거운 핵을 형성한다.
  • 핵분열, 무거운 핵이 두 개(또는 더 드물게 세 개)의 가벼운 핵으로 깨지는 것

빛 원소의 핵 상호작용을 생산하는 에너지는 약간의 설명이 필요하다.흔히, 핵 상호작용을 생성하는 모든 빛 소자 에너지는 핵융합으로 분류되지만, 위의 핵융합에 의해 제품들은 반응 물질보다 무거운 핵을 포함해야 한다.빛 원소는 핵융합이나 핵분열에 의해 핵 상호작용을 생성하는 에너지를 경험할 수 있다.두 수소 동위원소와 수소와 헬륨-3 사이의 핵 상호작용을 생성하는 모든 에너지는 핵이 더 무거운 것을 포함하기 때문에 핵융합이다.그러나 리튬-6과 양성자의 핵 상호작용에서 생성되는 에너지는 각각 가벼운 핵인 수소-3와 헬륨-4를 생성한다.위의 정의에 따르면, 이 핵 상호작용은 핵분열이지 핵융합이 아니다.

핵 상호작용을 생성하는 광원소자 에너지:

퓨전

1H + H → H Q ≈ 1.44 MeV

1H + H → He Q ≈ 5.52 MeV

2H + H → H + p+ Q ≈ 4.08 MeV

2H + H → He + n Q ≈ 3.27 MeV

2H + H → He + n Q ≈ 17.53 MeV

2H + He → He + p+ Q ≈ 18.34 MeV

3He + He → He + p+ + p+ Q ≈ 12.85 MeV

3He + Li → He + P4 Q q+ 22.36 MeV


핵분열

6Li + p+ → He + He3 Q ≈ 4.02 MeV

6Li + H → He + He4 Q ≈ 11.18 MeV

6Li + He → He4 + P+ Q ≈ 0.94 MeV

7Li + p+ → He + He4 Q ≈ 17.34 MeV

7Li + H → He + He4 + n Q ≈ 15.11 MeV

11B + p+ → He + He4 + He4 Q ≈ 8.68 MeV


원자에 대한 결합 에너지

원자의 결합 에너지(그 전자 포함)는 원자핵의 결합 에너지와 같지 않다.동위원소의 측정된 질량 결손은 항상 해당 동위원소의 중성 원자의 질량 결손으로 표시되며, 대부분 MeV에 표시된다.결과적으로, 열거된 질량적자는 고립된 핵의 안정성이나 결합 에너지의 척도가 아니라 전체 원자에 대한 척도가 된다.이것은 매우 실용적인 이유를 가지고 있는데, 무거운 원소를 완전히 이온화하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 즉, 그들의 모든 전자를 벗겨내는 것이다.

이 연습은 다른 이유에도 유용하다: 무거운 불안정한 핵에서 모든 전자를 벗겨내는 것(즉, 맨 핵을 생성하는 것)은 핵의 수명을 변화시키거나, 혹은 안정적인 중립 원자의 핵도 마찬가지로 박리 후에 불안정해질 수 있기 때문에 핵은 독립적으로 처리될 수 없음을 나타낸다.이에 대한 예는 GSI 중이온 가속기에서 수행된 경계 상태 β 붕괴 실험에서 나타났다.[18][19]이것은 또한 전자 포획과 같은 현상에서도 명백하다.이론적으로, 무거운 원자의 궤도 모델에서, 전자는 핵 안에서 부분적으로 궤도를 돈다(엄격한 의미에서는 궤도를 돌지 않지만 핵 안에 위치할 가능성은 비반사적이다).

핵 붕괴는 핵에 발생하는데, 이는 핵이 사건의 핵변화에 기인하는 성질을 의미한다.물리학 분야에서 '결합 에너지'의 척도로서 '대량적자'라는 개념은 '중립 원자의 대량적자'(핵뿐만 아니라)를 의미하며, 전체 원자의 안정성을 위한 척도다.

핵 결합 에너지 곡선

Binding energy curve - common isotopes.svg

원소 주기율표에서 수소에서 나트륨에 이르는 일련의 빛 원소들은 원자 질량이 증가함에 따라 일반적으로 핵당 결합 에너지를 증가시키는 것으로 관찰된다.이 증가는 각각의 추가 핵이 다른 근처의 핵에 의해 끌어당겨져 전체와 더 단단하게 결합되기 때문에 핵의 핵당 힘을 증가시킴으로써 발생한다.헬륨-4와 산소-16은 특히 안정적인 추세 예외다(오른쪽 그림 참조).이는 두 배의 마법이기 때문인데, 이는 양자와 중성자가 각각의 핵 껍질을 채운다는 것을 의미한다.

결합 에너지의 증가 영역은 마그네슘에서 제논까지의 순서로 상대적 안정성 영역(포화도)이 뒤따른다.이 지역에서 핵은 핵력이 더 이상 핵폭에 걸쳐 완전히 효율적으로 확장되지 않을 만큼 충분히 커지게 되었다.원자 질량이 증가함에 따라 이 지역의 매력적인 핵력은 원자 수가 증가함에 따라 양성자 사이의 반발성 전자기력에 의해 거의 균형을 이룬다.

마지막으로 제논보다 무거운 원소에서는 원자수가 증가함에 따라 핵당 결합 에너지가 감소한다.핵 크기의 이 지역에서는 전자기 반발력이 강한 핵력 유인을 극복하기 시작하고 있다.

결합 에너지가 최고조에 달할 때 니켈-62는 가장 단단하게 결합된 핵(핵당)이며, 그 다음이 철-58철-56이다.[20]초신성에서는 최종 생산물로서 풍부하게 생산되고 별에서 실리콘이 연소하는 최종 단계에서 철과 니켈이 행성 중심부에서 매우 흔한 금속인 대략적인 기본적인 이유다.그러나, 그것은 어떤 핵이 만들어지는지를 제어하는 정의된 핵당 (위 정의에 따라) 결합 에너지는 아니다. 왜냐하면 항성 내에서 중성자는 양성자당 훨씬 더 많은 에너지를 방출하기 위해 양성자로 자유롭게 변환할 수 있기 때문이다.실제로, 중성자의 양자로의 베타 붕괴 변환으로 인해 극도로 뜨거운 항성 중심에서 Ni의 광분화(photodisintegration)가 Fe를 형성하는 것이 에너지적으로 가능할 수 있다는 주장이 제기되어 왔다.[21]결론은 큰 별들의 중심부에 있는 압력 및 온도 조건에서는 모든 물질을 Fe nuclei(이온화된 원자)로 변환하여 에너지가 방출된다는 것이다.(그러나 고온에서는 모든 물질이 가장 낮은 에너지 상태에 있지는 않을 것이다.)이러한 에너지 최대치는 주변 조건에서도 유지되어야 한다. 를 들어 T = 298 K 및 p = 1 atm, Fe 원자로 구성된 중성 응축 물질에서도 유지되어야 한다. 그러나 이러한 조건에서는 원자의 핵이 물질의 가장 안정적이고 낮은 에너지 상태로 융합되는 것을 금지한다.

일반적으로 철-56은 초신성 내부에 14개의 헬륨핵을 단계별로 쌓아 만든 것이기 때문에 기계론적 이유로 우주에서 니켈 동위원소보다 철-56이 더 흔하다고 믿어지는데, 초신성 내부에 철로 썩을 시간이 없다가 단 몇 분 만에 성간매체에 방출된다.초신성이 폭발하면서.그러나 니켈-56은 몇 주 안에 코발트-56으로 분해되고, 그 후 이 방사성 동위원소는 마침내 반감기가 약 77.3일로 철-56으로 분해된다.그러한 과정의 방사성 붕괴 동력 광 곡선은 SN 1987A와 같은 타입 II 초신성에서 발생하는 것으로 관찰되었다.별에서, 알파 추가 공정에 의해 니켈-62를 만드는 좋은 방법은 없다. 그렇지 않으면 우주에는 아마도 이 고도로 안정된 핵종이 더 있을 것이다.

결합 에너지 및 핵종 질량

최대 결합 에너지가 중형 핵에서 발견된다는 사실은 범위 특성이 다른 두 개의 대립적인 힘의 영향에서 트레이드오프의 결과물이다.양성자와 중성자를 서로 균등하게 결합하는 매력적인 핵력(강력한 핵력)은 거리에 따라 이 힘이 급격히 기하급수적으로 감소하기 때문에 범위가 제한적이다.그러나 양성자 사이에 작용하여 핵이 갈라지게 하는 반발하는 전자기력은 거리를 훨씬 더 느리게(거리의 역제곱으로서) 떨어져 나간다.직경 약 4개의 핵보다 큰 핵의 경우, 추가적인 강한 힘 상호작용의 결과로 추가 추가된 핵들 사이에 발생하는 결합 에너지를 상쇄하는 것보다 더 많은 추가 양성자의 추가 반발력이 상쇄한다.그러한 핵은 대부분 아직 안정되어 있지만 크기가 커질수록 점점 더 단단하게 묶이지 않게 된다.마지막으로 209개 이상의 핵(지름의 약 6개 핵보다 더 큼)을 함유한 핵은 모두 너무 커서 안정될 수 없으며, 더 작은 핵으로 자발적인 붕괴를 겪게 된다.

핵융합은 가장 가벼운 원소를 좀 더 단단하게 묶인 원소(수소 등)로 결합해 에너지를 생산하고, 핵분열은 가장 무거운 원소(우라늄, 플루토늄 등)를 좀 더 촘촘하게 묶인 원소(바륨, 크립톤 등)로 쪼개 에너지를 생산한다.몇 개의 광원소(리튬 등)의 핵분열은 헬륨-4가 생산물이고 약간 무거운 원소보다 더 단단하게 묶인 원소이기 때문에 발생한다.두 공정 모두 제품의 질량의 합이 반응핵의 질량의 합보다 작기 때문에 에너지를 생산한다.

위의 중수소의 예에서 보듯이 핵 결합 에너지는 질량과 에너지의 등가성에 따라 부분 질량 결함으로 쉽게 측정될 수 있을 정도로 충분히 크다.원자 결합 에너지는 단순히 방출되는 에너지(및 질량)의 양으로, 자유핵의 집합체가 함께 결합되어 이 형성되는 것이다.

핵 결합 에너지는 핵의 질량 차이, 그리고 핵을 구성하는 자유 중성자와 양성자 수의 질량 합계를 통해 계산할 수 있다.일단 질량 결함 또는 질량 결핍이라고 불리는 이 질량 차이가 알려지면, 아인슈타인의 질량 에너지 동등성 공식 E = mc²를 어떤 핵의 결합 에너지를 계산하는 데 사용할 수 있다.초기 핵물리학자들은 이 값 계산을 "패킹 분수" 계산이라고 부르곤 했다.

예를 들어, 원자 질량 단위(1 u)는 C 원자 질량의 1/12로 정의되지만, H 원자(양자+전자)의 원자 질량은 1.007825 u이므로, C의 각 핵은 평균적으로 결합 에너지의 형태로 질량의 약 0.8%를 상실했다.

핵 결합 에너지를 위한 반해적 공식

Z 양성자와 N 중성자를 포함한 A핵이 있는 핵의 경우, 핵당 결합 에너지(EB)에 대한 반감기 공식은 다음과 같다.

여기서 계수는 = = 0 0 c= = 3 .; = .

첫 번째 용어 은 포화 기여라고 하며 모든 핵에 대해 첫 번째 근사치에서 결합 에너지가 동일함을 보장한다.용어- / / 3 는 표면 장력 효과로 핵 표면에 위치한 핵의 수에 비례하며 가벼운 핵의 경우 가장 크다. / 4/ 라는 용어는 쿨롱 정전기 반발이며, Z {\ Z이(가) 증가함에 따라 더욱 중요해진다 보정 용어- ( - ) 2/ 는 다른 영향이 없을 때 가장 안정적인 배열은 양성자와 중성자의 수가 동일하다는 사실을 고려한다. 이는 핵 내의 n-p 교호작용이 n-n 또는 p-p 상호작용보다 강하기 때문이다.페어링 용어± / A / e^{7는 순전히 경험적인 것으로, 짝수 핵의 경우 +이고 홀수-이상 핵의 경우 -이다.A가 홀수일 경우 페어링 용어는 동일하게 0이다.

반감기 결합 에너지 공식의 그래픽 표현.MeV에서 핵당 결합 에너지(노란색으로 가장 높은 수, 핵당 8.5MeV를 초과하는 수)는 다양한 핵종에 대해 원자 번호(y축) Z의 함수 대 N의 함수로서 표시된다.가장 높은 숫자는 Z = 26 (철의 경우)으로 나타난다.

실험적으로 측정된 원자핵종 질량에서 추론된 값 예제

다음 표에는 일부 바인딩 에너지 및 질량 결점 값이 나열되어 있다.[22]또한 1 u = (931.494028 ± 0.000023) MeV를 사용한다는 점에 유의하십시오.결합 에너지를 계산하기 위해 우리는 Z(mp + me) + Nn m - mnuclide 공식을 사용한다. 여기서 Z는 핵종의 양성자 수와 N의 중성자 수를 나타낸다.우리는 mp = (938.2720813±0.0000058) MeV, me = (0.5109989461±0.000000003) MeVn 및 m = (939.5654133 ± 0000058) MeV를 취한다.문자 AZN(핵종의 핵의 수)의 합을 나타낸다.만약 우리가 기준 핵이 중성자의 질량을 가지고 있다고 가정한다면 (따라서 계산된 모든 "총" 결합 에너지가 최대치라고 가정할 때) 우리는 총 결합 에너지를 핵의 질량과 A 자유 중성자 집합의 질량과의 차이로 정의할 수 있다.즉 (Z + N) mn - m일nuclide 것이다."핵당 결합 에너지"는 이 값을 A로 나눈 값일 것이다.

가장 강하게 결합된 핵종 원자
핵종의 Z N 질량 초과 총질량 총 질량/A 총 결합 에너지/A 질량 결함 결합 에너지 결합 에너지/A
56Fe 26 30 −60.6054 MeV 55.934937 u 0.9988372 u 9.1538 MeV 0.528479 u 492.275 MeV 8.7906 MeV
58Fe 26 32 −62.1534 MeV 57.932276 u 0.99888496 u 9.1432 MeV 0.547471 u 509.966 MeV 8.7925 MeV
60 28 32 −64.472 MeV 59.93079 u 0.9988464 u 9.1462 MeV 0.56612 u 526.864 MeV 8.7811 MeV
62 28 34 −66.7461 MeV 61.928345 u 0.9988443 u 9.1481 MeV 0.585383 u 545.281 MeV 8.7948 MeV

56Fe는 이 표에 열거된 네 가지 핵종 중 핵종 특유의 질량이 가장 낮지만, 이는 시작 하드론의 선택이 완전히 자유롭지 않는 한, 하드론 당 가장 강한 결합 원자임을 의미하지는 않는다.철은 56개의 핵이 핵종을 만들도록 허용되면 가장 큰 에너지를 방출한다. 즉, 필요시 하드론당 가장 높은 결합 에너지인 하드론은 양자 Z로 시작하고 결합핵에서와 같은 총 핵 A로 시작하는 니이다.그러므로 핵의 총 결합 에너지의 진정한 절대값은 우리가 핵을 무엇으로 구성하도록 허용하느냐에 달려 있다.만약 질량 번호 A의 모든 이 중성자로 구성되도록 허용된다면, Fe는 Ni보다 양성자의 비율이 더 크기 때문에 핵당 가장 많은 에너지를 방출할 것이다.그러나 핵이 포함된 양성자와 중성자의 수와 동일한 숫자로만 구성되어야 한다면 니켈-62는 핵당 가장 단단하게 결합된 핵이다.

약간의 가벼운 핵종이 재생된다.
핵종의 Z N 질량 초과 총질량 총 질량/A 총 결합 에너지/A 질량 결함 결합 에너지 결합 에너지/A
n 0 1 8.0716 MeV 1.008665 u 1.008665 u 0.0000MeV 0 u 0 MeV 0 MeV
1H 1 0 7.2890 MeV 1.007825 u 1.007825 u 0.7826 MeV 0.0000000146 u 0.00136 MeV 13.6 eV
2H 1 1 13.13572 MeV 2.014102 u 1.007051 u 1.50346 MeV 0.002388 u 2.22452 MeV 1.11226 MeV
3H 1 2 14.9498 MeV 3.016049 u 1.005350 u 3.08815 MeV 0.0091058 u 8.4820 MeV 2.8273 MeV
3 2 1 14.9312 MeV 3.016029 u 1.005343 u 3.09433 MeV 0.0082857 u 7.7181 MeV 2.5727 MeV

위의 표에서 삼중수소의 헬륨-3으로의 변환뿐만 아니라 중성자의 붕괴는 에너지를 방출한다는 것을 알 수 있다. 따라서 동일한 수의 중성자 질량(그리고 총 하드론 수 당 더 가벼운 상태)에 대해 측정할 때 더 강한 결합 새 상태를 나타낸다.그러한 반응은 이전에 고정된 중성자 및 양성자N과 Z 수에서 계산된 결합 에너지 변화에 의해서가 아니라 반응과 함께 핵종/핵종의 총 질량이 감소한다.(상기에 수소-1에 대해 주어진 바인딩 에너지는 원자 결합 에너지이지 0이 될 핵 결합 에너지가 아니라는 점에 유의하십시오.)

참조

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외부 링크