핵물리학
핵물리학(核物理學, 영어: nuclear physics)은 원자핵의 구조·성질·핵반응과 원자핵을 이루는 양성자·중성자의 상호작용을 연구하는 물리학의 분야이다.[1] 원자 전체에서 전자의 배열과 전이를 주로 다루는 원자물리학과 달리, 핵물리학은 원자핵의 에너지 준위, 안정성, 방사성 붕괴 및 핵 반응을 중심으로 한다. 핵자 사이의 힘을 설명하는 문제는 입자물리학 및 양자 색역학과 맞닿아 있으며, 핵물리학의 결과는 천체물리학·우주론·핵의학·원자력 기술에도 활용된다.
원자핵의 구성과 결합
[편집]원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며, 이 둘을 합쳐 핵자라 한다. 원소를 구별하는 양성자 수를 원자 번호, 핵자 수의 합을 질량수라 하며, 같은 원자 번호에 서로 다른 중성자 수를 가진 핵은 동위 원소이다. 양성자는 모두 양전하를 띠므로 서로 전기적으로 밀어내지만, 짧은 거리에서 작용하는 강한 상호작용의 잔류 효과가 이를 이겨 핵을 묶는다.[1]
핵의 질량은 자유 양성자와 중성자의 질량을 단순히 더한 값보다 작다. 이 차이에 해당하는 에너지를 질량 결손 및 핵결합에너지와 연결해 설명하며, 핵자당 결합 에너지의 변화는 어떤 핵 반응에서 에너지가 방출되거나 흡수되는지를 이해하는 중요한 기준이다.[1] 핵의 안정성은 양성자·중성자의 수, 그 비율 및 가능한 에너지 상태에 따라 달라진다.
핵 구조와 모형
[편집]원자핵은 양자계이므로 하나의 단순한 고전 모형으로 모든 성질을 설명할 수 없다. 액적 모형은 핵을 거의 비압축성인 액체 방울처럼 보아 결합 에너지의 전반적 경향과 핵분열을 설명하는 데 유용하다. 반면 핵껍질 모형은 핵자의 양자 상태가 껍질을 이룬다고 보고, 특정 양성자 또는 중성자 수를 가진 핵이 유난히 안정한 마법수 현상을 설명한다.[2]
핵의 스핀, 자기 모멘트, 전기 사중극자 모멘트 및 들뜬 상태는 핵 내부의 운동과 대칭성에 관한 정보를 준다. 핵분광학과 산란 실험은 이러한 성질을 측정하는 주요 방법이다. 희귀 동위원소 빔과 입자 가속기는 핵 안정선에서 멀리 떨어진 짧은 수명의 핵을 만들어 핵력과 핵합성 과정을 연구하는 데 쓰인다.
역사
[편집]앙리 베크렐의 방사능 발견과 마리 퀴리 등의 방사성 물질 연구는 핵 현상을 연구하는 출발점이 되었다. 어니스트 러더퍼드가 알파 입자의 산란을 해석하여 원자의 양전하와 질량이 매우 작은 핵에 집중되어 있다는 모형을 제시하면서, 원자핵은 독립적인 물리 연구 대상으로 자리 잡았다.[3]
1920년 무렵 아서 스탠리 에딩턴은 항성의 에너지원이 수소가 헬륨으로 융합하는 과정일 수 있다고 추정했다. 당시에는 핵융합의 기작도 항성이 주로 수소로 이루어진다는 사실도 밝혀지기 전이었지만, 이는 항성 핵융합을 예견한 초기 제안 가운데 하나였다.[4]
1932년 제임스 채드윅은 중성자의 존재를 실험적으로 입증했고, 이 발견은 원자핵을 양성자와 중성자로 이루어진 계로 이해하는 기반이 되었다.[5] 이어 유카와 히데키의 중간자 이론은 핵력이 짧은 범위를 가진다는 설명을 제시했고, 이후의 실험과 이론 연구는 핵력·약한 상호작용·핵 구조의 이해를 발전시켰다.[6]
방사성 붕괴
[편집]불안정한 원자핵은 더 낮은 에너지 상태 또는 더 안정한 핵종으로 변하면서 방사선을 방출할 수 있다. 대표적인 붕괴 방식에는 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마 방출이 있다.[1]
- 알파 붕괴에서는 헬륨 원자핵과 같은 두 양성자·두 중성자의 묶음이 방출된다. 주로 무거운 핵에서 나타난다.
- 베타 붕괴에서는 약한 상호작용에 의해 핵 안의 중성자가 양성자로, 또는 양성자가 중성자로 바뀌며 전자 또는 양전자와 중성미자가 함께 방출된다. 이 과정에서는 원자 번호가 바뀐다. 베타 입자의 에너지가 연속적으로 분포하는 까닭은 에너지와 운동량의 일부를 중성미자가 나르기 때문이다.
- 감마 붕괴에서는 들뜬 핵이 더 낮은 에너지 상태로 전이하며 감마선을 방출한다. 핵의 양성자 수와 중성자 수는 변하지 않는다.
들뜬 핵의 에너지가 궤도 전자에게 직접 전달되어 그 전자가 방출되는 내부 전환도 일어날 수 있다. 이 과정에서는 감마 광자가 방출되지 않을 수 있지만, 핵종의 원자 번호와 질량수는 변하지 않는다.[1]
핵 붕괴의 반감기와 붕괴 방식은 핵종마다 다르다. 방사성 붕괴는 연대 측정, 방사선 검출, 의학적 추적자 및 핵 구조 연구에 활용된다.
핵반응과 핵합성
[편집]핵반응은 입사 입자나 다른 핵과의 상호작용으로 원자핵의 구성 또는 에너지 상태가 변하는 과정이다. 반응 전후의 전하, 질량수, 에너지·운동량 및 여러 양자수의 보존을 검토해 가능한 반응을 판단한다. 핵반응의 단면적은 입사 에너지와 핵종에 따라 달라진다.[1]
핵융합
[편집]핵융합에서는 가벼운 두 핵이 가까이 접근하여 더 무거운 핵을 이룬다. 양성자를 포함한 두 핵 사이에는 전기적 반발이 있으므로, 융합은 일반적으로 높은 온도·압력 또는 양자 터널링의 효과가 중요한 조건에서 일어난다. 핵자당 결합 에너지는 철 부근까지 대체로 증가하므로, 가벼운 핵의 융합에서는 에너지가 방출될 수 있다. 항성에서는 수소가 헬륨으로 바뀌는 연쇄 반응 등을 통해 에너지가 생성되며, 이 과정과 그 뒤의 핵반응은 원소의 핵합성과 연결된다.[7]
핵분열
[편집]핵분열에서는 무거운 원자핵이 둘 이상의 더 가벼운 핵으로 갈라지며, 중성자와 에너지가 방출될 수 있다. 철보다 무거운 핵에서는 핵자당 결합 에너지의 경향 때문에 분열에서 에너지가 방출될 수 있다. 일부 핵종에서는 방출된 중성자가 다른 핵분열을 유발해 핵 연쇄 반응이 이어질 수 있다. 제어된 연쇄 반응은 핵반응로의 원리와, 통제되지 않은 연쇄 반응은 핵무기의 원리와 관련된다.
무거운 원소의 생성
[편집]빅뱅 핵합성으로는 주로 수소·헬륨과 소량의 가벼운 원소가 만들어졌고, 더 무거운 원소의 상당수는 항성 내부의 융합과 중성자 포획을 통해 생성된다. 철보다 무거운 원소의 생성에는 에너지가 필요한 경우가 많아, 느린 중성자 포획인 s과정과 빠른 중성자 포획인 r과정이 중요한 역할을 한다.[8]
연구와 응용
[편집]핵물리학에서는 입자 가속기, 원자로 중성자원, 방사성 동위원소 빔, 입자·감마선 검출기를 이용해 핵의 구조와 반응을 조사한다.[1] 연구 성과는 핵천체물리학, 원소 기원 연구, 핵의학, 방사선 치료, 재료 분석 및 에너지 기술에 쓰인다.[1]
같이 보기
[편집]각주
[편집]- 1 2 3 4 5 6 7 8 Krane, Kenneth S. (1988). 《Introductory Nuclear Physics》. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-80553-3.
- ↑ Blatt, John M.; Weisskopf, Victor F. (1979). 《Theoretical Nuclear Physics》. Springer. ISBN 978-0-387-08019-9
|isbn=값 확인 필요: checksum (도움말). - ↑ Rutherford, Ernest (1911). “The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom”. 《Philosophical Magazine》. 6 21 (125): 669–688. doi:10.1080/14786440508637080.
- ↑ Eddington, A. S. (1920). “The Internal Constitution of the Stars”. 《The Scientific Monthly》 11 (4): 297–303. Bibcode:1920SciMo..11..297E. JSTOR 6491.
- ↑ Chadwick, James (1932). “The Existence of a Neutron”. 《Proceedings of the Royal Society A》 136 (830): 692–708. doi:10.1098/rspa.1932.0112.
- ↑ Yukawa, Hideki (1935). “On the Interaction of Elementary Particles. I”. 《Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan》. 3 17: 48–57. doi:10.11429/ppmsj1919.17.0_48.
- ↑ Iliadis, Christian (2015). 《Nuclear Physics of Stars》 2판. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40839-5
|isbn=값 확인 필요: checksum (도움말). - ↑ Rolfs, Claus E.; Rodney, William S. (1988). 《Cauldrons in the Cosmos》. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-72456-0.
참고 문헌
[편집]- Martin, B. R. (2009). 《Nuclear and Particle Physics: An Introduction》 2판. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-01999-3.
- Heyde, K. (2004). 《Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics》 3판. IOP Publishing. ISBN 978-0-7503-0980-6.
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방사성 붕괴 핵분열 핵융합 |
