핵반응

Nuclear reaction
핵반응을 나타내는 이 기호에서 리튬-6(6
3Li
)과 중수소(2
1H
)가 반응하여 고도로 들뜬 중간핵
 Be를 형성하고, Be는 즉시 헬륨-4(4
2He
)의 2개의 알파 입자로 분해된다.양성자는 상징적으로 붉은 구로 표현되고 중성자는 파란색 구로 표현된다.
핵물리학
NuclearReaction.svg
핵·핵자(p, n)·핵물질·핵력·핵구조·핵반응
핵 모형
액체 방울 · 핵셸 모형 · 상호작용 보손 모형 · Ab initio
핵종 분류
동위원소 – Z 등가
Isobars – 동등 A
아이소톤 – N 등가
Isodiaphers – 동일 N - Z
이성질체 – 위의 모든 것과 동일
거울핵 – Z ↔ N
안정·매직·짝수/홀수·헤일로(보롬어)
핵안정성
결합 에너지 · p-n비 · 드립 라인 · 안정의 섬 · 안정의 계곡 · 안정 핵종
방사성 붕괴
알파α·베타β(2β(0v, β+)·K/L포착·이성질체(감마δ·내부 변환)·순간 핵분열·클러스터 붕괴·중성자 방출·프로톤 방출
핵분열
자발적·제품(페어 브레이킹)·사진
프로세스 캡처
전자(2×) · 중성자(s · r) · 양성자(p · rp)
고에너지 프로세스
파쇄(우주선에 의한) · 광집적
핵합성 및
핵천체물리학
핵융합
프로세스:스타·빅뱅·초신성
핵종 : 원시·코스모제닉·인공
고에너지 핵물리학
쿼크-글루온 플라즈마 · 오른쪽 · LHC
과학자
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핵물리학과 핵화학에서 핵반응은 두 개의 핵, 즉 핵과 외부 아원자 입자가 충돌하여 하나 이상의 새로운 핵종을 생성하는 과정이다.따라서 핵반응은 적어도 하나의 핵종을 다른 핵종으로 변환시키는 원인이 되어야 한다.만약 핵이 다른 핵이나 입자와 상호작용을 한 후 핵종의 성질을 바꾸지 않고 분리된다면, 그 과정은 단순히 핵반응이 아닌 핵 산란의 한 종류로 언급된다.

원칙적으로, 반응은 두 개 이상의 입자가 충돌할 수 있지만, 세 개 이상의 핵이 동시에 같은 장소에서 만날 확률은 두 개의 핵보다 훨씬 낮기 때문에, 그러한 현상은 예외적으로 드물다(3체 핵 반응에 매우 가까운 예에 대해서는 트리플 알파 과정을 참조).'핵반응'이란 다른 입자와 충돌하여 발생하는 핵종의 변화 또는 충돌하지 않는 핵종의 자발적 변화를 말한다.

자연핵반응은 우주선과 물질의 상호작용에서 발생하며, 핵반응은 인위적으로 사용되어 필요에 따라 조정 가능한 속도로 원자력에너지를 얻을 수 있다.핵분열성 물질의 핵 연쇄 반응은 유도 핵분열을 일으킨다.가벼운 원소의 다양한 핵융합 반응은 태양과 별의 에너지 생성에 동력을 줍니다.

역사

1919년, 어니스트 러더포드는 질소 N + α → O + p를 지향하는 알파 입자를 사용하여 질소를 산소로 변환시킬 수 있었다.이것은 유도핵반응, 즉 하나의 붕괴에서 나온 입자가 다른 원자핵을 변형시키기 위해 사용되는 반응에 대한 첫 번째 관찰이었다.결국 1932년 케임브리지 대학에서 인공적인 핵 반응과 핵 변환이 러더포드의 동료인 존 콕크로프트와 어니스트 월튼에 의해 이루어졌는데, 그는 리튬-7에 대해 인공 가속된 양성자를 사용하여 핵을 두 개의 알파 입자로 분할했다.독일의 과학자 오토 한, 리제 마이트너, 프리츠 스트라스만에 의해 [1]중원소에서 발견된 현대의 핵분열 반응은 아니지만, 이 위업은 일반적으로 "원자 분열"로 알려져 있다.

핵반응식

핵반응은 화학방정식과 유사한 형태로 나타날 수 있다. 화학방정식은 불변질량이 방정식의 각 측면에 대해 균형을 이루어야 하며 입자의 변환이 전하 및 바리온 수(총 원자질량수)와 같은 특정 보존법칙을 따라야 한다.이 표기법의 예를 다음에 나타냅니다.

6
3리
 		+ 2
1H
 		→ 4
2그는
 		+ ?.

위의 질량, 전하 및 질량 수 방정식의 균형을 맞추기 위해 오른쪽에 있는 두 번째 핵은 원자 번호 2와 질량 번호 4를 가져야 합니다. 따라서 헬륨-4이기도 합니다.따라서 완전한 방정식은 다음과 같습니다.

6
3리
 		+ 2
1H
 		→ 4
2그는
 		+ 4
2그
 사람.

또는 더 간단하게:

6
3리
 		+ 2
1H
 		→ 2
 그.

위 스타일의 완전 방정식을 사용하는 대신, 많은 상황에서 핵반응을 설명하기 위해 콤팩트 표기법이 사용된다.A(b,c)D 형식의 이 스타일은 A + b가 c + D를 생성하는 것과 같다.일반적인 경입자는 일반적으로 양성자의 경우 p, 중성자의 경우 n, 중수소의 경우 d, 알파 입자 또는 헬륨-4를 나타내는 α, 베타 입자 또는 전자의 경우 β, 감마 광자의 경우 β 등으로 축약된다.위의 반응은 Li(d,α)[2][3]α로 표시됩니다.

에너지 절약

운동 에너지는 반응 과정에서 방출되거나(발열 반응), 또는 반응이 일어나려면 운동 에너지가 공급되어야 할 수 있습니다(발열 반응).이는 매우 정확한 입자 정지 [4]질량의 표를 참조하여 계산할 수 있습니다. 참조 표에 따르면, Li 핵은
6.015 원자 질량 단위(약칭 u), 중수소는 2.014 u, 헬륨-4 핵은 4.0026 u이다.다음과 같이 됩니다.

  • 개별 핵의 나머지 질량의 합 = 6.015 + 2.014 = 8.029 u
  • 두 헬륨 수소 = 2 × 4.0026 = 8.0052 u의 총 정지 질량
  • 결측 정지 질량 = 8.029 – 8.0052 = 0.0238 원자 질량 단위.

핵반응에서는 총(상대론적) 에너지가 보존됩니다.따라서 "누락된" 정지 질량은 반응에서 방출되는 운동 에너지로 다시 나타나야 한다. 그 원천은 핵 결합 에너지이다.아인슈타인의 질량 에너지 등가 공식 E = mc를2 사용하여 방출되는 에너지의 양을 결정할 수 있다.우선 원자질량 단위 하나에 해당하는 에너지가 필요합니다.

1 u2 c = (1.14054 × 10−27 kg) × (2.99792 × 108 m/s)2
= 1.49242−10 × 10 kg (m/2s) = 1.49242−10 × 10 J (줄) × (1 MeV / 1.60218−13 × 10 J)
= 931.49 MeV,
따라서 1 u2 c = 931.49 MeV입니다.

따라서 방출되는 에너지는 0.0238 × 931 MeV = 22.2 MeV입니다.

다르게 표현하면 질량은 0.3% 감소하며 90PJ/kg의 0.3%에 해당하는 270TJ/kg이다.

이것은 핵반응을 위한 많은 양의 에너지이다; 헬륨-4 핵의 핵자당 결합 에너지가 비정상적으로 높기 때문에 매우 높다. (He-4 핵은 비정상적으로 안정적이고 헬륨 원자가 비활성인 것과 같은 이유로 단단히 결합되어 있다: He-4 핵은 He에 있는 양성자와 중성자 쌍이다.-4는 헬륨 원자의 전자 쌍이 1s 전자 오비탈을 차지하는 것과 같은 방식으로 1s 핵 오비탈을 채운다.따라서 알파 입자는 핵반응의 오른쪽에 자주 나타난다.

핵반응에서 방출되는 에너지는 주로 세 가지 방법 중 하나로 나타날 수 있다.

  • 생성물 입자의 운동 에너지(하전된 핵반응 생성물의 운동 에너지 중 일부는 정전기 에너지로 직접 변환될 수 있음)[5]
  • 감마선이라고 하는 매우 높은 에너지 광자의 방출
  • 어떤 에너지는 준안정 에너지 수준으로 핵에 남아있을 수 있다.

제품 핵이 전이 가능한 경우 원자 번호 옆에 별표("*")를 붙여 표시합니다.이 에너지는 결국 핵붕괴를 통해 방출된다.

소량의 에너지가 X선 형태로 나타날 수도 있다.일반적으로, 생성물 핵은 다른 원자 번호를 가지고 있고, 따라서 그것의 전자 껍데기의 구성이 잘못되었다.전자가 스스로 재배치되어 낮은 에너지 수준으로 떨어지면 내부 전이 X선(정밀하게 정의된 방출선이 있는 X선)이 방출될 수 있습니다.

Q-값과 에너지의 균형

반응식을 기록할 때, 화학 방정식과 유사한 방식으로 오른쪽에 반응 에너지를 줄 수 있다.

표적핵 + 발사체 → 최종핵 + 방출체 + Q.

위에서 설명한 특정 사례의 경우, 반응 에너지는 이미 Q = 22.2 MeV로 계산되었습니다.이 때문에,

6
3리
 		+ 2
1H
 		→ 2 4
2He
 + 22.2 MeV

반응 에너지("Q-값")는 화학에서 유사한 표현과 반대로 발열 반응에 양수이고 내열 반응에 음수입니다.한편으로, 이것은 최종측과 초기측 운동 에너지 합계의 차이이다.그러나 다른 한편으로, 이것은 초기측과 최종측의 핵 정지 질량의 차이이기도 하다(위의 Q-값을 계산했다).

반응률

만약 반응 방정식이 균형을 이룬다면, 그것은 반응이 실제로 일어난다는 것을 의미하지 않는다.반응 속도는 입사 입자의 에너지와 플럭스, 반응 단면에 따라 달라집니다.핵천체물리학 공동연구소가 관리하는 REACLIB 데이터베이스가 반응률의 대규모 저장소이다.

대전 입자 대 무전하 입자

반응을 시작하는 초기 충돌에서 입자는 단거리 강한 힘이 영향을 미칠 수 있도록 충분히 가까이 접근해야 합니다.대부분의 일반적인 핵 입자들이 양전하를 띠기 때문에, 이것은 그들이 반응을 시작하기 전에 상당한 정전기적 반발을 극복해야 한다는 것을 의미한다.대상 핵이 중성 원자의 일부일지라도, 다른 입자는 전자 구름을 훨씬 넘어 침투하여 양전하를 띤 핵에 가까이 접근해야 합니다.따라서 이러한 입자는 먼저 높은 에너지로 가속해야 합니다. 예를 들어 다음과 같습니다.

  • 입자 가속기
  • 핵붕괴(베타와 감마선이 핵반응에 거의 관여하지 않기 때문에 알파 입자가 주요 관심 유형이다.)
  • 수백만 도 정도의 매우 높은 온도에서 열핵반응을 일으킨다.
  • 우주선

또한 반발력은 두 전하의 곱에 비례하기 때문에 무거운 원자핵 간의 반응은 무거운 원자핵과 가벼운 원자핵 사이의 반응보다 더 드물고 더 높은 시작 에너지를 필요로 한다. 반면 두 개의 가벼운 원자핵 간의 반응은 가장 일반적인 반응이다.

반면 중성자는 반발을 일으킬 전하가 없으며 매우 낮은 에너지로 핵반응을 일으킬 수 있다.실제로 극히 낮은 입자 에너지(예를 들어 상온에서의 열평형에 해당)에서는 중성자의 드 브로이 파장이 크게 증가하며, 관련된 핵의 공진에 가까운 에너지에서 포착 단면이 크게 증가할 수 있다.따라서 저에너지 중성자는 고에너지 중성자보다 반응성이 더 높을 수 있다.

주목할 만한 유형

가능한 핵반응의 수는 엄청나지만, 더 흔하거나 주목할 만한 몇 가지 유형이 있다.예를 들어 다음과 같습니다.

  • 핵융합 반응 - 두 개의 가벼운 핵이 결합되어 더 무거운 핵을 형성하고, 그 후에 추가적인 입자(일반적으로 양성자 또는 중성자)가 방출됩니다.
  • 파쇄 - 핵은 여러 개의 작은 파편을 부수거나 많은 파편을 부수기에 충분한 에너지와 운동량을 가진 입자에 의해 타격됩니다.
  • 유도 감마 방출은 원자핵 들뜸 상태를 만들고 파괴하는 데 광자만 관여하는 세분류에 속한다.
  • 알파 붕괴 — 자발적 핵분열과 동일한 기본 힘에 의해 추진되지만, α 붕괴는 보통 후자와 분리된 것으로 간주됩니다."핵반응"이 유도 과정에 국한된다는 자주 인용되는 생각은 잘못된 것이다."방사능 붕괴"는 유도되지 않고 자발적인 "핵 반응"의 하위 그룹이다.예를 들어, 비정상적으로 높은 에너지를 가진 소위 "뜨거운 알파 입자"는 유도된 핵 반응인 3원 핵분열에서 실제로 생성될 수 있다(자연 핵분열과는 대조적이다.이러한 알파는 또한 자발적인 삼원분열에서 발생한다.
  • 핵분열 반응 - 매우 무거운 핵은 추가적인 가벼운 입자(일반적으로 중성자)를 흡수한 후 두 조각 또는 때로는 세 조각으로 갈라집니다.이것은 유도된 핵반응이다.중성자의 도움 없이 발생하는 자발적 핵분열은 보통 핵반응으로 간주되지 않는다.기껏해야 유도핵반응이 아니다.

직접 반응

중간 에너지 발사체는 에너지를 전달하거나 핵자를 단 한 번의 빠른(10초−21) 이벤트로 핵에 주우거나 잃는다.에너지 및 운동량 전달은 비교적 작습니다.반응 메커니즘이 대상 핵의 구조를 조사하기에 충분한 정확도로 계산하기에 충분히 간단하기 때문에 이것들은 실험 핵 물리학에서 특히 유용하다.

비탄성 산란

주요 기사:비탄성 산란

에너지와 운동량만 전달됩니다.

  • (p,p')는 핵 상태 간의 차이를 테스트한다.
  • (α,α')는 핵 표면의 모양과 크기를 측정한다.핵에 닿는 α 입자는 보다 격렬하게 반응하기 때문에 탄성과 얕은 비탄성 α 산란은 작은 검은 물체에서 산란되는 빛처럼 대상의 모양과 크기에 민감하다.
  • (e,e')는 내부 구조를 프로빙하는 데 유용합니다.전자는 양성자와 중성자보다 덜 강하게 상호작용하기 때문에, 대상의 중심에 도달하고 그들의 파동 기능은 핵을 통과함으로써 덜 왜곡된다.

전하 교환 반응

에너지와 전하가 발사체와 목표물 간에 전달됩니다.이러한 반응의 예는 다음과 같습니다.

  • (p,n)
  • (3He,t)

핵자 전달 반응

보통 적당히 낮은 에너지에서는 하나 이상의 핵자가 발사체와 표적 사이에 전달된다.이것들은 핵의 외각 구조를 연구하는데 유용하다.전달 반응은 발사체에서 타겟으로, 박리 반응 또는 타깃에서 발사체로, 픽업 반응으로 발생할 수 있습니다.

  • (α, n) 및 (α, p) 반응.연구된 초기 핵반응들 중 일부는 알파 붕괴에 의해 생성된 알파 입자를 포함했고, 표적 핵에서 핵자를 떨어뜨렸다.
  • (d,n) 및 (d,p) 반응.듀테론 빔은 타겟에 충돌합니다. 타겟 핵은 듀테론으로부터 중성자 또는 양성자 중 하나를 흡수합니다.중수소는 너무 느슨하게 묶여 있어서 양성자나 중성자 포획과 거의 같다.복합핵이 형성되어 중성자가 더 느리게 방출될 수 있다. (d,n) 반응은 에너지 중성자를 생성하기 위해 사용된다.
  • 이상도 교환 반응(K, δ)은 고핵 연구에 사용되어 왔다.
  • 1917년 러더포드(1919년 보고)에 의해 수행된 N(α,p)17O 반응은 일반적으로 최초의 핵 변환 실험으로 간주된다.

중성자와의 반응

→ T →리 → C
(n,α) 6Li + n → T + α 10B + n → Li + α 17O + n → C + α 21Ne + n → O + α 37Ar + n → S + α
(n,p) 3He + n → T + p 7Be + n → Li + p 14N + n → C + p 22Na + n → Ne + p
(n,120) 2H + n → T + µ 13C + n → C + µ

중성자와의 반응은 원자로와 핵무기에서 중요하다.가장 잘 알려진 중성자 반응은 중성자 산란, 중성자 포획 및 핵분열이지만, 일부 가벼운 핵(특히 홀수 핵)의 경우 열 중성자와의 가장 가능성이 높은 반응은 전달 반응이다.

일부 반응은 고속 중성자에서만 가능하다.

복합 핵반응

저에너지 발사체가 흡수되거나 고에너지 입자가 핵으로 에너지를 전달하여 핵이 완전히 결합되기에는 너무 많은 에너지를 남깁니다.약−19 10초의 시간 척도로, 보통 중성자인 입자는 "끓여" 없어진다.즉, 중성자 한 개에 에너지가 집중되어 서로 끌어당기는 힘을 벗어날 때까지 함께 있는 것입니다.들뜬 준결합핵을 복합핵이라고 한다.

  • 감마 또는 가상 감마 에너지가 거대 쌍극자 공명 근처에 있는 낮은 에너지(e, e' xn), (θ, xn)(하나 이상의 중성자를 나타내는 xn).이는 전자 가속기 주변의 방사선 차폐의 필요성을 증가시킨다.
상세정보 : 파쇄 nuclear핵파쇄

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 1932년 4월 콕크로프트와 월튼은 리튬을 고에너지 양성자로 분해했다.2012-09-02 Wayback Machine 아카이브 완료
  2. ^ 천체물리관객:별의 수소 융합 속도
  3. ^ Tilley, R. J. D. (2004). Understanding Solids: The Science of Materials. John Wiley and Sons. p. 495. ISBN 0-470-85275-5.
  4. ^ Suplee, Curt (23 August 2009). "Atomic Weights and Isotopic Compositions with Relative Atomic Masses". NIST.
  5. ^ Shinn, E.; Et., al. (2013). "Nuclear energy conversion with stacks of graphene nanocapacitors". Complexity. 18 (3): 24–27. Bibcode:2013Cmplx..18c..24S. doi:10.1002/cplx.21427.

원천