핵물리학 - nuclear physics [2]

현대의 핵물리학

무거운 핵은 수백 개의 핵들을 포함할 수 있다. 이것은 어느 정도의 근사치로 양자기계적 시스템이 아닌 고전적 시스템으로 취급될 수 있다는 것을 의미한다. 그 결과 액체 방울 모델에서, 핵은 부분적으로 표면 장력에서 그리고 일부는 양자의 전기적 반발에서 발생하는 에너지를 가지고 있다. 액체 방울 모델은 핵분열 현상뿐만 아니라 질량수에 관한 에너지를 결합하는 일반적인 추세를 포함하여 핵의 많은 특징들을 재현할 수 있다. 그러나 이 고전적 그림에 중첩된 것은 양자-기계적 효과로, 마리아 괴퍼트 메이어와 J. 한스 D에 의해 상당 부분 개발된 핵 쉘 모델을 사용하여 설명할 수 있다. 젠슨. 중성자와 양성자의 특정한 "마법" 숫자를 가진 핵은 껍질이 채워지기 때문에 특히 안정적이다. 중성자와 양성자 쌍이 보손처럼 상호 작용하는 상호작용 보손 모델과 같이 핵에 대한 보다 복잡한 다른 모델도 제안되었다. Ab initio 방법은 핵물질과 그 상호작용에서 출발하여 핵 다체 문제를 근본부터 해결하려고 한다.

핵물리학에 관한 현재 연구의 많은 부분은 높은 스핀과 흥분 에너지와 같은 극단적인 조건에서 핵에 대한 연구와 관련이 있다. 핵은 극단적인 모양(럭비볼이나 심지어 배의 모양과 유사함) 또는 극단적인 중성자 대 프로톤 비율을 가질 수도 있다. 실험자들은 인공적으로 유도된 핵융합 반응이나 핵전달 반응을 이용하여 가속기에서 이온빔을 이용하여 그러한 핵들을 만들 수 있다. 훨씬 더 높은 에너지를 가진 빔들은 매우 높은 온도에서 핵물질을 생성하는데 사용될 수 있으며, 이러한 실험들이 정상적인 핵물질에서 새로운 상태인 쿼크-글루온 플라즈마(Quark-gluon Plasma)로 위상전환을 만들어냈다는 징후가 있는데, 쿼크는 중성자와 양성자에 있는 것처럼 세 쌍둥이로 분리되기보다는 서로 섞이게 된다.

핵 붕괴

80개 원소에는 붕괴가 관찰되지 않는 적어도 하나의 안정 동위원소가 있으며, 총 254개의 안정 동위원소가 있다. 그러나 수천 개의 동위원소가 불안정하다는 특징이 있다. 이러한 "라디오이소토프"는 1초의 분율에서 수조년에 이르는 시간에 걸쳐 부패한다. 원자 숫자와 중성자 숫자의 함수로 도표에 표시된 핵종의 결합 에너지는 안정의 계곡이라고 알려진 것을 형성한다. 안정적인 핵종이 이 에너지 계곡의 바닥을 따라 놓여 있는 반면, 점점 불안정한 핵종이 골짜기 벽을 덮고 있는 것은, 즉 결합 에너지가 약하다는 것이다. 가장 안정된 핵은 중성자와 양성자의 구성의 특정 범위나 균형에 해당된다. 너무 적거나 너무 많은 중성자(양자의 수와 관련)는 중성자를 붕괴시킬 것이다. 예를 들어 베타 붕괴에서 질소-16 원자(양자 7개, 중성자 9개)는 생성 몇 초 이내에 산소-16 원자(양자 8개, 중성자 8개)[23]로 변환된다. 이 붕괴에서 질소핵의 중성자는 약한 상호작용에 의해 양성자, 전자, 안티뉴트리노로 변환된다. 원소는 다른 원소로 변환되어 양성자의 수가 달라진다.

알파 붕괴(일반적으로 가장 무거운 핵에서 발생한다)에서 방사성 원소는 헬륨 핵(양자 2개와 중성자 2개)을 방출하여 분해되며, 다른 원소에 헬륨-4를 더한다. 많은 경우에 이러한 과정은 안정된 원소가 형성될 때까지 다른 유형의 데케이(대개 베타 붕괴)를 포함하여 이러한 종류의 여러 단계를 통해 계속된다. 감마 붕괴에서, 핵은 감마선을 방출함으로써 흥분 상태에서 낮은 에너지 상태로 분해된다. 이 원소는 공정에서 다른 원소로 변경되지 않는다(핵 변환은 관여하지 않는다). 다른 이국적인 데카도 가능하다(첫 번째 주요 기사 참조). 예를 들어, 내부 변환 붕괴에서, 흥분된 핵에서 나오는 에너지는 원자로부터 내부 궤도 전자 중 하나를 방출할 수 있는데, 이 과정에서 고속 전자는 생산하지만 베타 붕괴는 아니며 (베타 붕괴와는 달리) 한 원소를 다른 원소로 변환시키지 않는다.

핵융합

핵융합에서는 두 개의 저질량 핵이 서로 매우 밀접하게 접촉하여 강한 힘이 그들을 융합시킨다. 강한 힘이나 핵력이 핵 사이의 전기적 저항을 극복하기 위해서는 다량의 에너지가 필요하다. 따라서 핵융합은 매우 높은 온도나 높은 압력에서만 일어날 수 있다. 핵융합이 되면 매우 많은 양의 에너지가 방출되고 결합핵은 더 낮은 에너지 수준을 가정한다. 핵당 결합 에너지는 니켈-62까지 질량 수에 따라 증가한다. 태양과 같은 별들은 네 개의 양성자가 헬륨 핵, 두 개의 양전자, 두 개의 중성미자로 융합되어 동력을 얻는다. 수소가 헬륨으로 제어되지 않고 융합되는 것을 열핵폭발이라고 한다. 예를 들어 공동 유럽 토러스(JET)와 ITER와 같은 여러 기관에서 현재 진행 중인 연구의 전선은 통제된 핵융합 반응에서 에너지를 사용하는 경제적으로 실행 가능한 방법의 개발이다. 핵융합은 우리 태양을 포함한 모든 별들의 핵에서 생성되는 에너지의 기원이다.

핵분열

핵분열은 핵융합로의 역과정이다. 니켈-62보다 무거운 핵의 경우 핵당 결합 에너지는 질량 수에 따라 감소한다. 따라서 무거운 핵이 두 개의 가벼운 핵으로 쪼개지면 에너지가 방출되는 것이 가능하다. 알파 붕괴의 과정은 본질적으로 특별한 형태의 자발적 핵분열이다. 알파 입자를 구성하는 네 개의 입자가 특히 서로 단단히 결합되어 있어 이 핵이 핵분열에서 생성될 가능성이 특히 높기 때문에 매우 비대칭적인 핵분열이다. 핵분열이 자유 중성자를 생성하고, 또한 핵분열을 시작하기 위해 중성자를 쉽게 흡수하는 가장 무거운 핵으로부터, 연쇄반응으로 중성자 개시 핵분열의 자기점화 유형을 얻을 수 있다. 연쇄반응은 물리학 이전에 화학에서 알려져 있었고, 사실 화재나 화학 폭발과 같은 많은 익숙한 과정들이 화학 연쇄반응이다. 핵분열 생성 중성자를 이용한 핵분열 또는 "핵" 연쇄반응은 제2차 세계대전 말 일본 히로시마와 나가사키에서 폭발한 핵분열형 핵폭탄과 같은 원자력발전소의 에너지원이다. 우라늄이나 토륨과 같은 중핵도 자발적 핵분열을 겪을 수 있지만 알파 붕괴에 의해 붕괴될 가능성이 훨씬 높다.

중성자 개시 체인 반응이 일어나려면 특정 조건 하에서 특정 공간에 관련 동위원소의 임계 질량이 존재해야 한다. 최소 임계 질량의 조건에는 방출된 중성자의 보존과 중성자의 감속 또는 절제가 요구되어 그들이 또 다른 핵분열을 일으킬 가능성이 더 크다. 아프리카 가봉 옥로의 두 지역에서 15억년 전에 자연 핵분열 원자로가 활동했다. 자연 중성미자 방출의 측정은 지구핵에서 방출되는 열의 약 절반이 방사능 붕괴에서 나온다는 것을 보여주었다. 그러나 이 중 핵분열 연쇄 반응에서 비롯되는 것이 있는지 여부는 알려지지 않았다.