핵분열과 핵융합

핵심 정리

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 양성자 수와 중성자 수를 더한 값이 질량수다. 핵반응식을 맞출 때는 반응 전후의 질량수 합이 같아야 한다. 즉, 핵반응 전후로 질량수는 보존된다. 반응식에서 원자핵의 기호와 질량수, 양성자 수를 함께 읽으면 어떤 입자가 반응에 들어가고 나오는지 확인할 수 있다. 질량수가 같더라도 양성자 수가 다르면 서로 다른 원자핵이다. 같은 원소의 원자핵이라도 중성자 수가 다르면 질량수가 달라질 수 있다. 핵융합 반응에서도 생성물의 질량수 합은 반응 전과 같다.

무거운 원자핵이 둘 이상의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 반응을 핵분열이라 한다. 핵분열에서는 질량수가 큰 원자핵이 쪼개져 질량수가 작은 원자핵들로 나뉜다. 반응에 들어온 중성자와 생성물의 질량수 합을 비교하면 빠진 입자를 찾을 수 있다. 우라늄 핵이 중성자와 충돌해 쪼개지는 반응도 핵분열이다. 우라늄-235와 반응해 핵분열을 일으키는 입자는 중성자다. 핵분열: 무거운 핵이 쪼개짐

가벼운 원자핵 두 개가 결합해 더 무거운 원자핵이 되는 반응을 핵융합이라 한다. 핵융합은 가벼운 원자핵들이 결합하는 반응이고, 핵분열은 무거운 원자핵이 나뉘는 반응이다. 태양의 에너지는 핵융합 반응으로 생성된다. 중수소와 삼중수소가 융합하면 헬륨 원자핵과 중성자가 생성된다. 핵융합: 가벼운 핵이 결합

원자로에서는 중성자를 이용해 핵분열의 연쇄 반응을 조절한다. 중성자의 속력을 줄이는 물질은 감속재다. 제어봉은 중성자를 흡수해 연쇄 반응을 제어한다. 두 물질의 역할을 구분해야 한다. 감속재는 중성자의 속력을 낮추고, 제어봉은 중성자를 흡수해 연쇄 반응을 조절한다.

자세히

핵분열과 핵융합은 반응에 참여하는 원자핵의 크기와 반응 뒤의 변화를 보고 구별한다. 큰 원자핵 하나가 둘 이상의 작은 원자핵으로 나뉘면 핵분열이다. 작은 원자핵 두 개가 결합해 더 무거운 원자핵이 되면 핵융합이다. 중성자가 반응식에 있다는 이유만으로 두 반응을 같은 종류라고 할 수 없다. 핵분열에서는 중성자가 큰 원자핵에 충돌해 분열을 일으킬 수 있다. 핵융합에서는 반응물과 생성물의 질량수와 양성자 수를 비교해 결합 여부를 판단한다. 먼저 반응식의 왼쪽과 오른쪽에 있는 입자를 확인하고, 원자핵의 질량수와 양성자 수를 맞추는 것이 분류와 계산의 출발점이다.

핵융합이 일어나려면 양전하를 띤 원자핵끼리 가까이 접근해야 한다. 원자핵끼리는 전기적인 척력으로 서로 밀어내므로, 충분히 높은 온도에서 원자핵의 운동에너지가 커져야 충돌할 수 있다. 충돌 뒤에는 가까운 거리에서 원자핵 사이의 강한 인력이 작용해 하나의 원자핵으로 결합할 수 있다. 별에서는 높은 온도와 압력 아래 가벼운 원자핵들이 반응한다. 태양의 에너지도 핵융합 반응으로 생성된다. 이는 큰 원자핵의 분열을 이용하는 원자로의 에너지 생성 방식과 다르다. 핵융합은 원자핵 두 개가 나란히 놓이는 상황이 아니다. 서로 밀어내는 힘을 이겨낼 조건에서 충돌하고 결합하는 과정이다.

반응식을 해석할 때는 아래 첨자가 양성자 수이고 위 첨자가 질량수라는 점을 먼저 확인한다. 양성자 수는 원소를 구분한다. 질량수에서 양성자 수를 빼면 중성자 수를 알 수 있다. 다음으로 반응식 양쪽의 질량수 합과 양성자 수 합을 각각 비교한다. 한쪽에 미지의 입자가 있으면 질량수 보존으로 그 입자의 질량수를 구하고, 양성자 수 보존으로 양성자 수를 구해 입자의 정체를 판단한다. 중수소와 삼중수소의 융합에서는 생성물에 헬륨 원자핵과 중성자가 모두 있는지 확인해야 한다. 빈칸을 채울 때 에너지 항목이나 원자핵 이름을 먼저 짐작하기보다 두 보존 조건을 차례로 적용하는 편이 안정적이다.

질량수 보존은 핵반응의 생성물을 찾는 기준이다. 반응 전후의 질량이 모두 같다는 뜻은 아니다. 핵반응에서는 질량 결손에 해당하는 에너지가 방출될 수 있으므로 질량수 보존과 질량-에너지 변화는 구분해야 한다. 에너지 방출이 제시되어도 질량수를 세는 규칙은 같다. 반응식의 에너지 값은 반응의 에너지 변화를 나타내며, 원자핵 기호의 질량수에 더하거나 빼지 않는다. 생성물의 질량수 합이 반응물의 합과 맞지 않으면 빠진 입자나 잘못 읽은 첨자를 다시 확인한다.

다음 표는 반응의 방향과 확인할 단서를 정리한 것이다.