원자력기사 中 핵물리 기초 Ch2에 대해서 포스팅하겠습니다.
'☆--' = 나만의 암기 방법
파란색 = 암기
빨간색 = 첨언
보라색 = 궁금증
1. 원자의 모형 및 구조
데모크리트의 불가분 입자 모형
고대 그리스 철학자 데모크리트는 모든 물질이 작고 불가분의 입자, 즉 '아토모스(Atomos)'로 구성되어 있다고 주장했습니다. 이는 원자 개념의 초기 형태로 볼 수 있으며, 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자로 이루어져 있다고 설명합니다.
달턴의 원자론
1803년, 존 달턴은 각 원소가 고유한 질량을 가진 원자로 구성되어 있다고 제안했습니다. 이 이론은 화학 반응에서 원자들이 재배열되지만, 생성되거나 파괴되지 않는다고 설명하며 현대 화학의 기초를 마련했습니다.
톰슨의 부딪힘 푸딩 모형
J.J. 톰슨은 전자를 발견한 후, 전자가 양전하를 가진 물질 속에 분산되어 있는 '푸딩 모형'을 제안했습니다. 이 모형은 원자 내부에 전자가 부딪치며 움직이는 모습을 설명하려고 했습니다.
러더퍼드의 핵 모형
어니스트 러더퍼드는 금박 실험을 통해 원자 중앙에 작고 밀도 높은 핵이 존재하며, 대부분의 원자는 빈 공간임을 발견했습니다. 이는 원자 핵 주변을 도는 전자를 포함하는 핵 모형으로 발전했습니다.
보어의 양자 모형
닐스 보어는 양자 이론을 도입하여 전자가 특정 에너지 수준에서만 원자 핵 주위를 돌 수 있음을 설명했습니다. 이 모형은 전자가 특정 궤도를 유지하면서 에너지를 흡수하거나 방출하는 과정을 설명합니다.
현대 원자 모형 - 슈뢰딩거의 파동역학적 모형
에르빈 슈뢰딩거는 원자 내 전자의 위치를 정확하게 특정하지 않고, 전자의 위치를 확률적으로 예측할 수 있는 파동 함수를 사용하여 설명합니다. 이 모형은 전자 구름이라고 불리는 영역에서 전자의 위치 확률밀도를 나타냅니다. 전자 구름은 전자가 어떤 시점에서 특정 위치에 있을 확률을 높은 밀도로 보여줍니다.
구조적 세부사항
전자, 양성자, 중성자
원자는 전자(음전하), 양성자(양전하), 중성자(무전하)로 구성됩니다. 양성자와 중성자는 원자의 핵을 형성하며, 전자는 핵 주위를 돌며 원자의 화학적 성질을 결정짓습니다.
원자핵
원자핵은 양성자와 중성자로 구성되며, 핵의 전체 질량 대부분을 차지합니다. 핵의 크기는 원자 전체 크기의 매우 작은 부분을 차지하지만, 전체 질량과 양전하의 대부분을 갖고 있습니다.
2. 원자의 에너지
고전역학에서의 운동 에너지
아인슈타인의 유명한 공식 은 핵물리에서 가장 기본적이면서도 중요한 법칙 중 하나로, 질량과 에너지의 상호 변환을 설명합니다. 이 공식의 각 요소는 다음과 같은 의미를 갖습니다:
고전역학에서의 운동 에너지 공식
- : 에너지, 어떤 시스템이 내부적으로 가지고 있는 작용할 수 있는 능력을 의미합니다.
- : 질량, 물질의 양을 나타냅니다.
- : 빛의 속도, 공기 중에서 약 299,792,458미터/초입니다.
공식의 의미와 중요성
이 공식에 따르면, 아주 작은 양의 질량 변화가 매우 큰 양의 에너지로 변환될 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 핵분열 반응에서는 우라늄과 같은 무거운 원소가 분열하여 더 가벼운 원소들로 분해될 때, 원래 원소의 질량과 분해된 원소들의 질량 사이에 작은 차이가 발생합니다. 이 질량의 차이, 즉 질량결손이 에너지로 변환되어 방대한 양의 에너지가 방출되는 원리입니다.
상대론적 관점에서의 운동 에너지
고전역학에서의 이론을 개발해
원자력공학 기본에서 많이 쓰이는 공식입니다. 정지질량이 없는 물체에서의 에너지에서는 구하지 못합니다.
증명과정
적용 예
핵분열
원자로에서 우라늄이나 플루토늄과 같은 물질이 중성자를 포획하고 분열할 때, 두 개 또는 그 이상의 더 작은 원자로 분할되며, 이 과정에서 질량결손이 발생합니다. 이 질량결손이 대량의 에너지로 변환되어 발전에 활용됩니다.
핵융합
태양과 같은 별 내부에서는 수소와 같은 가벼운 원소가 고온과 고압 하에서 헬륨 등 더 무거운 원소로 융합됩니다. 이 과정에서도 질량결손이 발생하여 엄청난 에너지가 방출되며, 이 에너지가 별의 에너지원으로서 작용합니다.
2021년도 1회 기출문제
Q9) 3.232Mev의 에너지를 가진 γ선이 전자쌍생성 반응을 일으킬 떄, 발생되는 양전자(Positron)의 최대 운동에너지(Mev)는?
A)
전자쌍생성 반응에서, 고에너지 감마선이 전자와 양전자의 쌍을 생성할 때, 에너지 보존 법칙에 따라 감마선의 에너지는 전자와 양전자의 총 에너지와 같아야 합니다. 이 과정은 일반적으로 원자핵이나 전자와의 상호작용을 통해 발생하며, 이때 추가적인 에너지는 질량의 형태로 나타납니다.
전자와 양전자는 각각의 정지 질량 에너지가 (여기서 𝑚𝑒는 전자의 질량, 𝑐는 빛의 속도)로 약 0.511 MeV입니다. 따라서 전자와 양전자 쌍을 생성하기 위해 필요한 최소 에너지는 2×0.511 MeV=1.022 MeV입니다.
감마선이 3.232 MeV의 에너지를 가질 때, 이 에너지에서 쌍생성을 위한 최소 에너지 1.022 MeV를 뺀 나머지 에너지는 전자와 양전자의 운동에너지로 분배됩니다. 이때, 전자와 양전자는 대칭적인 에너지 분배를 받기 때문에 최대 운동에너지는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
총 에너지 - 쌍 생성 최소 에너지 = 남은 에너지 3.232 MeV−1.022 MeV=2.210 MeV
전자와 양전자는 이 남은 에너지 2.210 MeV를 균등하게 나누므로, 각각의 최대 운동에너지는: 2.210 MeV2=1.105 MeV
3. 핵안정성
핵력은 원자핵 내의 양성자와 중성자를 결합시키는 근본적인 힘입니다.
이 힘은 강력한 상호작용 또는 강한 핵력이라고도 불리며, 원자핵의 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
근거리 힘
핵력은 매우 짧은 거리에서만 작용하는 극히 강한 힘입니다.
이 힘의 범위는 대략 원자핵의 크기 정도로, 대략 1펨토미터(1 fm, 10^-15m)에서 수 펨토미터 사이입니다.
양성자와 중성자 사이 작용
핵력은 양성자와 중성자 모두에게 작용하며, 이 힘은 양성자와 중성자를 원자핵 안에서 강하게 결합시킵니다.
핵력은 전하의 종류에 관계없이 작용하기 때문에, 양성자가 서로 밀어내는 전기적 반발력을 극복할 수 있습니다.
포화 특성
핵력은 포화 특성을 가집니다. 즉, 한 핵자는 특정 수의 가까운 이웃 핵자와만 강한 결합을 형성할 수 있습니다. 이 특성 때문에 원자핵이 너무 크면 불안정해질 수 있습니다.
핵력은 쉽게 인력으로 보시면 될 것 같습니다. 그에 반대되는 힘은 쿨롱력이 있습니다. 쿨롱력은 척력입니다.
2022년 기출문제
Q1) 원자 핵 내에서 작용하는 힘에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
| ① | 양성자와 상호 간에 작용하는 힘은 전기력보다 작다 |
| ② | 핵자 간에 인력이 작용 및 10^-15m 수준 근거리에서 작용한다. |
| ③ | 중성자와 중성자 간에 작용하는 힘은 양성자 간에 작용하는 힘과 같다. |
| ④ | 양성자, 중성자 등 핵자들 간에 교환력이 존재한다. |
A) 1
해설
- 양성자와 상호 간에 작용하는 힘은 전기력보다 작다
- 틀렸습니다. 양성자 간에 작용하는 전기적 반발력(쿨롱 힘)은 매우 큽니다. 그러나, 핵자들 사이의 강한 핵력(강한 상호작용)은 이러한 전기적 반발력을 극복할 만큼 강합니다. 따라서 양성자 간에 작용하는 힘은 전기력보다 큽니다.
- 핵자 간에 인력이 작용 및 10^-15m 수준 근거리에서 작용한다.
- 맞습니다. 강한 핵력은 매우 짧은 거리(약 미터, 즉 1 fm)에서 작용하며, 이 거리에선 강한 인력으로 작용합니다.
- 중성자와 중성자 간에 작용하는 힘은 양성자 간에 작용하는 힘과 같다.
- 맞습니다. 강한 핵력은 중성자-중성자, 양성자-양성자, 그리고 양성자-중성자 사이에서 동일하게 작용합니다. 이는 전하와 무관하게 강하게 작용합니다.
- 양성자, 중성자 등 핵자들 간에 교환력이 존재한다.
- 맞습니다. 핵자들 간에 작용하는 강한 핵력은 글루온 또는 파이온(π 중간자) 교환에 의해 설명됩니다. 이는 교환력(exchange force)의 일종입니다.
2014년 기출문제
Q3) 다음 중 원자핵을 구성하고 있는 핵자들간에 작용하는 핵력에 대한 설명이다. 맞는 것끼리 연결된 것은?
가. 짧은 거리에서만 작용한다.
나. 전하에 관계없이 인력으로 작용한다.
다. 쿨롱의 힘보다 약하다.
라. 스핀이 같은 방향보다 반대방향인 경우 더 크게 작용한다.
| ① | 가, 다 |
| ② | 가, 나, 다 |
| ③ | 가, 나, 라 |
| ④ | 나, 다 |
A) 3
해설
가. 짧은 거리에서만 작용한다.
- 맞습니다. 강한 핵력은 약 10−15 미터(1 펨토미터) 이하의 거리에서만 작용합니다.
나. 전하에 관계없이 인력으로 작용한다.
- 맞습니다. 강한 핵력은 양성자, 중성자 모두에게 작용하며, 전하에 관계없이 강한 인력으로 작용합니다.
다. 쿨롱의 힘보다 약하다.
- 틀렸습니다. 강한 핵력은 쿨롱 힘(전기적 반발력)보다 훨씬 강합니다. 강한 핵력이 전기적 반발력을 극복하여 원자핵을 안정하게 유지합니다.
라. 스핀이 같은 방향보다 반대방향인 경우 더 크게 작용한다.
- 맞습니다. 핵력은 일반적으로 스핀이 반대방향인 경우 더 강하게 작용하여 결합이 더 안정적입니다.
동위원소와 안정성
동위원소 (Isotopes)
- 정의: 같은 원소의 동위원소들은 동일한 수의 양성자를 가지지만, 중성자의 수가 다릅니다. 이로 인해 원자 번호는 같지만, 질량 수가 다릅니다
- 특징: 화학적 성질은 거의 동일하지만, 물리적 및 핵화학적 성질이 다를 수 있습니다.
- 예시: 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14는 모두 탄소의 동위원소로, 각각 6개의 양성자와 6, 7, 8개의 중성자를 갖고 있습니다.
Q) 서로 다른 중성자 수를 가진 동위원소들이 왜 다르게 행동하는지, 특정 동위원소가 방사성 붕괴를 경험하는 이유
- 핵 안정성: 원자핵의 안정성은 양성자와 중성자의 비율에 크게 의존합니다. 중성자가 너무 많거나 적으면 원자핵이 불안정해져 방사성 붕괴가 발생합니다.
- 질량 결손과 결합 에너지: 안정한 원자핵은 높은 결합 에너지를 가지고 있어 질량 결손이 큽니다. 반면, 불안정한 원자핵은 결합 에너지가 낮아 방사성 붕괴를 통해 안정된 상태로 전이합니다.
동중성자원소 (Isotones)
- 정의: 동중성자원소는 중성자의 수가 같지만, 양성자의 수가 다른 핵종입니다.
- 예시: C-14 (6개의 양성자와 8개의 중성자)와 N-15 (7개의 양성자와 8개의 중성자)는 둘 다 8개의 중성자를 갖고 있습니다.
동중원소 (Isobars)
- 정의: 동중원소는 질량 수가 같지만, 양성자와 중성자의 수가 다른 핵종입니다. 이들은 서로 다른 원소일 수 있습니다.
- 특징: 동중원소는 서로 다른 방사성 붕괴 경로를 가질 수 있으며, 그로 인해 다양한 핵종으로 변환될 수 있습니다.
- 예시: 탄소-14와 질소-14는 둘 다 질량 수 14를 가지지만, 양성자와 중성자의 조합이 다릅니다.
핵이성체 (Nuclear Isomer)
- 정의: 핵이성체는 원자핵이 고에너지 상태로 존재하면서, 비교적 오랜 시간 동안 안정하게 유지되는 상태를 말합니다.
- 특징:
- 고에너지 상태: 핵이성체는 원자핵의 들뜬 상태로, 기본 상태보다 높은 에너지를 가지고 있습니다.
- 준안정 상태: 고에너지 상태가 비교적 긴 시간 동안 유지될 수 있습니다. 이 시간은 수 나노초에서 수 년에 이를 수 있습니다. 이 동안 방사선을 방출하지 않습니다.
- 전이와 감마선 방출: 핵이성체는 결국 기본 상태 또는 더 낮은 에너지 상태로 전이하게 되며, 이 과정에서 감마선을 방출합니다. 이는 감마 붕괴 또는 내부 전환에 의해 이루어질 수 있습니다.
- 예시
- 테크네튬-99m (Tc-99m): 의료 영상 기법에서 널리 사용됩니다. 약 6시간의 반감기를 가지며, 감마선을 방출하며 테크네튬-99로 전이됩니다.
- 하프늄-178m (Hf-178m): 비교적 긴 반감기를 가지며, 에너지 저장 관련 연구에서 관심을 받고 있습니다.
동중핵변환 (Isobaric Transition)
동중핵변환은 질량수가 같은 상태에서 원자핵이 변환되는 과정을 의미합니다. 이 변환은 주로 베타 붕괴에 의해 이루어집니다.
베타 붕괴 (Beta Decay)
- 베타 마이너스 붕괴 (β- 붕괴):
- 과정: 중성자가 양성자로 변환되면서 전자(베타 입자)와 반중성미자(anti-neutrino)를 방출합니다.
- 방정식
베타 마이너스 붕괴 식 - 결과: 질량수는 변하지 않고, 원자번호는 1 증가합니다. 따라서 같은 질량수를 가진 다른 원소로 변환됩니다.
- 예시: 탄소-14 (질량수 14, 원자번호 6) → 질소-14 (질량수 14, 원자번호 7) + 전자 + 반중성미자
- 베타 플러스 붕괴 (β+ 붕괴)와 전자 포획 (Electron Capture):
- 과정: 양성자가 중성자로 변환되면서 양전자(베타 플러스 입자)와 중성미자(neutrino)를 방출하거나, 전자가 핵으로 포획되어 양성자가 중성자로 변환됩니다.
- 방정식 (β+ 붕괴):
베타 플러스 붕괴 식 - 방정식 (전자 포획):
전자 포획 방정식 - 결과: 질량수는 변하지 않고, 원자번호는 1 감소합니다. 따라서 같은 질량수를 가진 다른 원소로 변환됩니다.
- 예시 (β+ 붕괴): 탄소-11 (질량수 11, 원자번호 6) → 붕소-11 (질량수 11, 원자번호 5) + 양전자 + 중성미자
- 예시 (전자 포획): 베릴륨-7 (질량수 7, 원자번호 4) + 전자 → 리튬-7 (질량수 7, 원자번호 3) + 중성미자
2022년 기출문제
Q12) 다음 중 원자핵에 대한 설명으로 올바르지 않은 것은?
| ① | 동일한 양자수를 가지더라도 중성자 수가 달라 질량수가 서로 다른 핵종을 동위원소라고 한다. |
| ② | 동위원소는 전자 수와 양자 수가 동일하므로 화학적 특성과 핵적 특성이 동일하다. |
| ③ | C-14, N-15, O-16 등과 같이 양자 수는 다르지만, 중성자수가 같은 핵종을 동중성자핵이라고 한다. |
| ④ | C-14, N-14처럼 양자수와 중성자 수가 서로 다르지만 질량 수가 같은 핵종을 동중원소라고 한다. |
A) 2
해설
- 동일한 양자수를 가지더라도 중성자 수가 달라 질량수가 서로 다른 핵종을 동위원소라고 한다.
- 맞습니다. 동위원소(Isotopes)는 동일한 양성자 수(원자번호)를 가지지만, 중성자 수가 달라서 질량수가 다른 핵종을 말합니다.
- 동위원소는 전자 수와 양자 수가 동일하므로 화학적 특성과 핵적 특성이 동일하다.
- 틀렸습니다. 동위원소는 화학적 특성은 동일하지만, 핵적 특성(특히 방사성 동위원소의 경우)에서는 다를 수 있습니다. 예를 들어, C-12와 C-14는 화학적 성질은 같지만, C-14는 방사성 동위원소로서 핵적 특성이 다릅니다.
- C-14, N-15, O-16 등과 같이 양자 수는 다르지만, 중성자수가 같은 핵종을 동중성자핵이라고 한다.
- 맞습니다. 동중성자핵(Isotones)은 중성자 수는 같지만, 양성자 수(원자번호)가 다른 핵종을 말합니다.
- C-14, N-14처럼 양자수와 중성자 수가 서로 다르지만 질량 수가 같은 핵종을 동중원소라고 한다.
- 맞습니다. 동중원소(Isobars)는 질량수는 같지만, 양성자 수와 중성자 수가 다른 핵종을 말합니다.
Q) 핵적 특성이란?
핵적 특성은 원자핵의 구성과 행동에 관련된 물리적 특성입니다. 종류로는 방사능, 핵반응, 결합 에너지, 흡수 단면적 등이 있습니다.
2013년 기출문제
Q20) 양자수가 중성자수 보다 많은 어떤 원자핵의 베타붕괴 후 양자수, 중성자수 및 질량수는?
| ① | Z, A-Z, A |
| ② | Z+1, A-Z-1, A |
| ③ | Z-1, A-Z+1,A |
| ④ | Z+1, A-Z, A+1 |
A) 3
해설
해설
- Z, A-Z, A: 변화 없음.
- Z+1, A-Z-1, A: 베타 마이너스 붕괴에 해당.
- Z-1, A-Z+1, A: 베타 플러스 붕괴를 정확히 반영. 양성자 수가 감소하고, 중성자 수가 증가.
- Z+1, A-Z, A+1: 양자수 증가 및 질량수 증가, 베타 붕괴 상황과 맞지 않음.
따라서 문제에서 언급한 베타 플러스 붕괴 후의 변화를 정확하게 설명한 선택지는 3번 (Z-1, A-Z+1, A) 입니다.
마법수
- 마법수는 원자핵 내에서 양성자나 중성자가 완전히 채워진 에너지 준위(쉘)를 가질 때 나타나는 특별한 수를 말합니다. 이런 완전히 채워진 쉘은 원자핵을 특히 안정하게 만듭니다.
- 양성자와 중성자의 마법수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 등입니다. 이 수들을 갖는 원자핵은 핵 반응이나 방사성 붕괴에 대해 특별히 큰 저항성을 보입니다.
예시
- 주석 (Sn, Z=50): 주석은 50개의 양성자를 가지며, 양성자의 마법수에 해당합니다. 이로 인해 주석은 많은 안정적인 동위원소를 가지고 있으며, 방사성 붕괴에 대한 저항성이 높습니다.
- 납 (Pb, Z=82): 납은 82개의 양성자를 가지며, 또 다른 양성자의 마법수에 해당합니다. 특히 납-208은 126개의 중성자도 가지고 있어 양성자와 중성자 모두에서 마법수를 가진 매우 안정적인 동위원소입니다.
2022년 기출문제
Q5) 다음 중 핵물리 마법 수 (Magic Number) 에 대한 설명으로 올바르지 않은 것은?
| ① | 핵자 간 결합에너지는 He-4가 Li-6보다 크다. |
| ② | 양성자 수가 마법수인 경우 주변 원소보다 더 많은 동위원소가 존재한다. |
| ③ | 중성자 수가 마법수인 원자는 주변 동위원소보다 중성자 흡수 단면적이 크다. |
| ④ | 마법수를 갖는 원소의 자연 존재비가 주변 원소에 비해 높다. |
A) 3
해설
해설
1. 핵자 간 결합에너지는 He-4가 Li-6보다 크다.
- 맞습니다. He-4는 양성자와 중성자 모두 마법수를 가지며 매우 안정합니다. 따라서 He-4의 결합에너지가 Li-6보다 큽니다.
2 양성자 수가 마법수인 경우 주변 원소보다 더 많은 동위원소가 존재한다.
- 맞습니다. 양성자 수가 마법수인 원소는 매우 안정적이기 때문에, 다양한 중성자 수를 가질 수 있어 더 많은 동위원소가 존재할 수 있습니다.
3 중성자 수가 마법수인 원자는 주변 동위원소보다 중성자 흡수 단면적이 크다.
- 틀렸습니다. 중성자 수가 마법수인 원자는 일반적으로 더 안정적이기 때문에 중성자 흡수 단면적이 작습니다. 마법수를 가지는 원자는 핵구조가 매우 안정적이므로 중성자를 잘 흡수하지 않습니다.
4 마법수를 갖는 원소의 자연 존재비가 주변 원소에 비해 높다.
- 맞습니다. 마법수를 갖는 원소는 매우 안정적이기 때문에, 자연계에서 비교적 더 많이 존재합니다.
2021년도 1회 기출문제
동위원소 (Isotope)와 동중원소(Isobar)에 대한 다음 설명 중 맞는 것은?
| ① | 동중원소는 원자번호가 서로 같은 원소이다. |
| ② | 8O16 , 8O17 , 8O18은 서로 동위원소이다. |
| ③ | 동위원소는 질량수가 서로 같은 원소이다. |
| ④ | 동중핵변환으로는 α붕괴가 있다. |
A) 2
해설
해설
- 동중원소는 원자번호가 서로 같은 원소이다.
- 틀렸습니다. 동중원소는 같은 질량수를 가지지만, 다른 원소 일 수 있습니다.
- 8O16, 8O17, 8O18은 서로 동위원소이다.
- 맞습니다. 이 세 원소는 모두 산소(원자번호 8)의 동위원소입니다. 이들은 같은 원자번호(8)을 가지지만, 중성자 수가 달라 질량수가 각각 다릅니다.
- 동위원소는 질량수가 서로 같은 원소이다.
- 틀렸습니다. 동위원소는 같은 원소(같은 원자번호)이지만, 질량수가 다른 원소들입니다. 즉, 같은 수의 양성자를 가지지만, 중성자 수가 다릅니다.
- 동중핵변환으로는 α붕괴가 있다.
- 틀렸습니다. 동중핵변환(isobaric transition)은 일반적으로 베타 붕괴와 관련이 있습니다. α붕괴는 질량수가 4 줄어들고 원자번호가 2 줄어드는 과정으로 동중원소 변환과는 관련이 없습니다.
2017년 기출문제
Q) 다음 핵종들은 원자로에서 주로 발생하는 방사성동위원소들이다. 이들 중 생성되는 원인이 나머지와 다른 하나는?
| ① | Co-60 |
| ② | Kr-94 |
| ③ | I-135 |
| ④ | Cs-137 |
A) 1
해설
해설
- Co-60 (코발트-60):
- 생성 원인: 일반적으로 코발트-59가 중성자를 포획하여 생성됩니다. 이는 주로 원자로의 구조재료에 사용되는 코발트가 중성자를 포획하는 과정에서 발생합니다.
- Kr-94 (크립톤-94):
- 생성 원인: 우라늄과 같은 무거운 원소의 핵분열에 의해 생성됩니다. 이는 핵분열 생성물 중 하나로, 핵분열 과정에서 분열 조각으로 발생합니다.
- I-135 (아이오딘-135):
- 생성 원인: 마찬가지로 우라늄과 같은 무거운 원소의 핵분열에 의해 생성됩니다. 핵분열 생성물 중 하나로서, 중요한 핵분열 생성물 중 하나입니다.
- Cs-137 (세슘-137):
- 생성 원인: 우라늄의 핵분열에 의해 생성되는 또 다른 핵분열 생성물입니다. 핵분열과정에서 생성됩니다.
방사성 붕괴
자연적인 방사성 붕괴
자연적인 방사성 붕괴는 특정 원소의 원자핵이 자연 상태에서 에너지를 잃어 안정된 상태로 이행하는 과정입니다. 이러한 붕괴는 방사성 동위원소에서 자주 관찰되며, 외부 조작이나 인간의 개입 없이 자연스럽게 일어납니다.
자연 방사성 붕괴의 주요 유형:
- 알파 붕괴 (Alpha Decay):
- 과정: 원자핵이 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성된 알파 입자(24𝐻𝑒)를 방출하면서 일어납니다.
- 결과: 원자번호가 2 감소하고, 질량수가 4 감소합니다.
- 공식:
대표적인 알파붕괴 - 예시: 우라늄-238 → 토륨-234 + 알파 입자(24𝐻𝑒)
- 베타 붕괴 (Beta Decay):
- 과정: 중성자가 양성자로 변하면서 베타 입자(전자)와 반중성미자를 방출합니다.
- 결과: 원자번호가 1 증가합니다.
- 공식:
베타붕괴 - 예시: 탄소-14 () → 질소-14 () + 베타 입자() + 반중성미자
- 감마 붕괴 (Gamma Decay):
- 과정: 원자핵이 더 낮은 에너지 상태로 전이되면서 감마선(고에너지 광자, )을 방출합니다.
- 결과: 핵의 질량이나 원자번호에 영향을 미치지 않습니다.
- 공식:
감마 붕괴 - 예시: 코발트-60 () → 코발트-60 () + 감마선(𝛾)
인공적으로 유도된 방사성 붕괴
인공적으로 유도된 방사성 붕괴는 원자핵에 인위적인 개입을 통해 붕괴를 유발하는 과정입니다.
인공 붕괴의 주요 유형
철-56의 중성자 포획
- 과정: 철-56 원자핵이 중성자를 포획하여 철-57이 됩니다.
- 결과물:
철의 중성자 포획 - 방사성 붕괴: 철-57은 안정된 동위원소이지만, 더 무거운 원자핵으로의 중성자 포획은 불안정한 동위원소를 형성하고 방사성 붕괴를 일으킬 수 있습니다.
우라늄-235의 원자핵 분열
- 과정: 우라늄-235 원자핵이 고속 중성자를 포착하면, 원자핵은 매우 불안정해지고 두 개의 더 작은 핵(예: 바륨-139와 크립톤-94)으로 분열됩니다.
- 결과물:
- 에너지 방출: 이 과정에서 방출되는 에너지는 주로 열 형태로, 핵반응기에서 전기를 생산하는 데 사용됩니다.
2021년도 1회 기출문제
Q2) Po-210의 방사성 붕괴 반응에 대한 설명으로 맞는 것은?
| ① | 붕괴하는 것은 핵력이 강한 척력을 가지기 때문이다. |
| ② | 원자핵 속의 양성자에 대한 중성자의 비율이 너무 높아 에너지 상태가 불안정하여 알파붕괴한다. |
| ③ | 헬륨의 원자핵이 Po-210원자핵에 의한 쿨롱 포텐셜 장벽을 투과하는 양자터널 효과를 이용하여 설명할 수 있다. |
| ④ | 원자핵 속의 핵력은 양성자 간의 힘이 중성자와 양성자 간의 힘보다 작다. |
A) 3
해설
해설
- 붕괴하는 것은 핵력이 강한 척력을 가지기 때문이다.
- 틀렸습니다. 핵력은 인력으로 작용하며, 강한 핵력은 양성자와 중성자 간에 작용하는 매우 강한 인력입니다. 척력은 주로 전기력(쿨롱 힘)에 의해 발생합니다.
- 원자핵 속의 양성자에 대한 중성자의 비율이 너무 높아 에너지 상태가 불안정하여 알파붕괴한다.
- 틀렸습니다. Po-210의 알파 붕괴는 중성자와 양성자의 비율 문제보다는 원자핵이 에너지적으로 불안정한 상태에 있기 때문에 발생합니다.
- 헬륨의 원자핵이 Po-210원자핵에 의한 쿨롱 포텐셜 장벽을 투과하는 양자터널 효과를 이용하여 설명할 수 있다.
- 맞습니다. 알파 붕괴는 알파 입자(헬륨 원자핵)가 원자핵의 쿨롱 포텐셜 장벽을 양자터널 효과를 통해 투과하면서 발생합니다. 이 설명은 Po-210의 알파 붕괴를 설명하는 데 적합합니다.
- 원자핵 속의 핵력은 양성자 간의 힘이 중성자와 양성자 간의 힘보다 작다.
- 틀렸습니다. 핵력은 양성자-양성자, 중성자-중성자, 양성자-중성자 간에 모두 강하게 작용하며, 전하와 무관하게 거의 동일하게 작용합니다.
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