핵분열은 무거운 핵이 두 개 이상의 작은 핵으로 부서져 에너지를 방출하는 핵반응입니다. 핵분열 원자핵이 두 개 이상의 더 작고 가벼운 핵으로 분할되는 핵반응 또는 방사성 붕괴 과정입니다. 이 과정은 종종 감마 광자를 생성하고 상당한 양의 에너지를 방출합니다. "분열"이라는 용어는 라틴어 fissio에서 유래되었습니다. , 이는 '쪼개짐' 또는 '쪼개짐'을 의미합니다.
발견의 역사
핵분열 현상은 1930년대 후반 독일 물리학자 오토 한(Otto Hahn)과 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann)에 의해 발견되었습니다. Hahn과 Strassmann은 우라늄에 중성자를 충돌시켜 생성된 생성물이 바륨, 란타늄 및 우라늄보다 가벼운 기타 원소의 동위원소임을 증명했습니다. Lise Meitner와 Otto Frisch는 무거운 핵이 대략 동일한 크기의 두 조각으로 분해되는 현상을 설명하기 위해 "분열"이라는 용어를 만들었습니다. 핵분열의 발견은 원자 시대를 가져왔고 원자력과 원자 무기의 개발로 이어졌습니다.
핵분열 대 핵융합
핵분열은 핵융합의 반대이다. 핵분열은 무겁고 불안정한 핵을 두 개의 가벼운 핵으로 나누는 과정인 반면, 융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하는 과정입니다. 둘 다 변환의 형태입니다. , 한 요소가 다른 요소로 변경됩니다.
핵분열에서는 우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 원자의 핵이 몇 개의 중성자와 상당한 양의 에너지와 함께 두 개 이상의 작은 핵으로 쪼개집니다. 반대로 핵융합에는 두 개의 가벼운 원소, 즉 일반적으로 수소 동위원소(중수소와 삼중수소)가 극도로 높은 온도와 압력의 조건에서 합쳐져 더 무거운 핵을 형성하고 그 과정에서 에너지가 방출됩니다.
자발 핵분열 및 유도 핵분열
핵분열에는 자연분열과 유도분열의 두 가지 유형이 있습니다.
자발적 핵분열 이름에서 알 수 있듯이 자연적으로 발생합니다. 이는 우라늄과 플루토늄의 특정 동위원소를 포함하여 가장 무거운 동위원소에서만 발견되는 방사성 붕괴의 한 형태입니다. 자발적 핵분열이 발생할 확률은 일반적으로 매우 낮으며 알파 붕괴나 베타 붕괴와 같은 다른 형태의 붕괴와 함께 발생합니다. 자연분열의 예로는 캘리포늄-252가 크세논-140, 루테늄-108 및 4개의 중성자로 붕괴되는 것입니다.
유도 핵분열 반면에 핵이 중성자(또는 때로는 다른 입자)를 흡수할 때 발생합니다. 중성자의 추가 에너지는 이미 불안정한 핵이 분열되도록 촉발합니다. 이 공정은 원자로와 핵무기에 활용됩니다. 유도 핵분열의 예로는 플루토늄-239가 중성자를 흡수하여 크세논-134, 지르코늄-103 및 3개의 중성자로 부서지는 반응이 있습니다.
핵분열 연쇄반응
핵분열의 연쇄 반응은 반응 생성물 또는 부산물이 추가 반응을 일으키는 일련의 반응입니다. 핵분열 연쇄 반응은 하나의 단일 반응이 여러 다른 반응을 시작하기 때문에 자립적입니다.
예를 들어, 원자로에서 흔히 사용되는 동위원소인 우라늄-235(U-235)와 관련된 연쇄 반응을 생각해 보세요.
- U-235 핵은 중성자를 흡수하여 여기된 우라늄-236(U-236)을 형성합니다.
- 여기된 U-236 핵은 핵분열을 거쳐 3개의 새로운 자유 중성자와 상당한 양의 에너지와 함께 바륨-141(Ba-141) 및 크립톤-92(Kr-92)와 같은 두 개의 더 작은 핵(분열 조각)으로 분할됩니다.
- 이 새로 방출된 중성자는 다른 U-235 원자에 흡수되어 핵분열을 일으키고 더 많은 중성자를 방출할 수 있습니다. 이런 일이 발생하는지 여부는 이웃 우라늄 원자가 충분한지 여부에 따라 다릅니다.
반응은 다음과 같습니다:
U-235 + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n + 에너지
원자력 발전소에서는 핵분열 속도를 일정하게 유지하기 위해 연쇄 반응을 세심하게 제어하는 반면, 핵무기에서는 연쇄 반응이 폭발적인 속도로 진행됩니다.
핵분열의 주요 특성
핵분열은 반응물과 생성물의 질량 차이가 특징입니다. 이는 아인슈타인의 방정식 E=mc2에 잘 설명된 질량-에너지 등가의 원리 때문입니다. 핵이 핵분열을 겪을 때, 생성된 입자의 총질량은 원래 질량보다 작습니다. 이 "잃어버린" 질량은 핵분열 과정에서 방출되는 에너지로 변환됩니다.
핵분열 반응에서 생성된 에너지는 주로 핵분열 생성물의 운동 운동과 감마선 형태의 광자에서 비롯됩니다. 단일 핵분열 사건은 약 200MeV(백만 전자 볼트)의 에너지를 방출할 수 있는데, 이는 일반적인 화학 반응에서 방출되는 에너지보다 약 백만 배 더 많은 것입니다.
핵분열성 대 핵분열성
핵분열과 관련하여 일반적으로 혼동되는 두 가지 용어는 "분열성"과 "핵분열성"입니다. 핵분열성 핵종은 저에너지 또는 고에너지 중성자를 포획한 후 핵분열을 겪을 수 있는 것입니다(반응이 거의 발생하지 않더라도). 핵분열성 핵종은 낮은 에너지의 중성자를 흡수한 후 핵분열 가능성이 높은 핵분열성 핵종이다. U-238은 핵분열성은 있지만 핵분열성은 아닙니다. U-235는 핵분열성이 있고 핵분열성이 있습니다.
핵분열의 이용과 안전성
핵분열은 원자력 발전소와 원자 무기에서의 역할로 가장 일반적으로 알려져 있습니다. 원자력 발전소에서는 제어된 핵분열 연쇄 반응에서 생성된 열이 증기를 생성하고, 증기가 터빈을 구동하여 전기를 생성합니다.
그러나 핵분열의 활용에는 위험이 따르지 않습니다. 원전에서 발생하는 방사성폐기물의 안전한 관리에 대한 우려가 크다. 또한 체르노빌 및 후쿠시마 재해와 같은 원자력 사고 발생 가능성으로 인해 안전 및 환경에 대한 우려가 커지고 있습니다.
참고자료
- 아로라, M.G.; 싱, M. (1994). 핵화학 . 안몰 간행물. ISBN 81-261-1763-X.
- 불가크, 아우렐; 진시; 스테쿠, 아이오넬(2020). “핵분열 역학:과거, 현재, 필요 및 미래”. 물리학의 개척자 . 8:63.doi:10.3389/fphy.2020.00063
- Byrne, J.(2011). 중성자, 핵 및 물질 . 뉴욕주 미네올라:도버 출판물. ISBN 978-0-486-48238-5.
- 한, 오.; Strassmann, F. (1939년 2월). "Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung". Naturwissenschaften . 27(6):89–95. doi:10.1007/BF01488988
- Scharff-Goldhaber, G.; 클라이버, G.S.(1946). “우라늄에서 중성자의 자연 방출.” 물리학. 개정 . 70 (3–4):229. doi:10.1103/PhysRev.70.229.2
