핵 변형 - Nuclear transmutation

핵 변형 - Nuclear transmutation

핵 변환은 한 화학 원소 또는 동위원소를 다른 화학 원소로 변환하는 것이다. 어떤 원소(또는 1의 동위원소)도 원자핵의 양성자(및 중성자) 수에 의해 정의되기 때문에, 원자핵에서는 핵의 양성자 또는 중성자 수가 바뀌는 어떤 과정에서도 핵전환이 일어난다. 변환은 핵반응(외부 입자가 핵에 반응하는 경우) 또는 외부 원인이 필요하지 않은 방사성 붕괴에 의해 달성될 수 있다. 과거에 별 핵합성에 의한 자연적 변환은 알려진 기존 우주에서 대부분의 무거운 화학 원소를 생성했고, 오늘날까지 계속 일어나 헬륨, 산소, 탄소를 포함한 우주에서 가장 흔한 원소의 대부분을 생성한다. 대부분의 별들은 수소와 헬륨을 포함하는 핵융합 반응을 통해 전이를 수행하며, 훨씬 큰 별들은 진화의 후반에 철까지 무거운 원소를 융합할 수 있다.

금이나 납과 같이 철보다 무거운 원소는 초신성에서만 자연적으로 발생할 수 있는 원소 변환을 통해 생성된다. 별들이 더 무거운 원소들을 융합하기 시작하면서, 각각의 핵융합 반응에서 방출되는 에너지는 상당히 줄어들게 된다. 철보다 무거운 원소를 생성하는 반응은 내열성이 있으며 항성 내부의 안정적인 핵융합을 유지하는 데 필요한 에너지를 발생시킬 수 없다. 현재 관찰할 수 있는 자연전달의 한 유형은 알파나 베타 붕괴와 같이 자연에 존재하는 특정 방사성 원소가 자연적으로 붕괴할 때 발생한다. 칼륨-40에서 아르곤-40으로 자연적으로 부패한 것이 그 예로서 공기 중의 아르곤의 대부분을 이루고 있다. 또한 지구에서는 원소의 우주선 폭격(예를 들어 탄소-14를 형성하는 것)으로 인해, 자연 핵 반응의 다른 메커니즘으로부터 자연 투과가 발생하며, 또한 자연 중성자 폭격(예를 들어, 자연 핵분열 원자로를 참조)으로 인해 때때로 자연 핵 반응의 다른 메커니즘으로부터 자연 투과가 발생한다.

인위적인 변환은 원소의 핵 구조에 변화를 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 가진 기계에서 발생할 수 있다. 그러한 기계들은 입자 가속기와 토카막 원자로를 포함한다. 재래식 핵분열 발전 원자로도 인공적인 전이를 일으키는데, 기계의 힘이 아니라 인공적으로 생성된 핵 연쇄 반응으로 인한 핵분열에 의해 생성된 중성자에 원소를 노출시킴으로써 인공적인 전이를 일으킨다. 예를 들어 우라늄 원자가 저속 중성자로 폭격되면 핵분열이 일어난다. 이것은 평균적으로 3개의 중성자와 다량의 에너지를 방출한다. 방출된 중성자는 사용 가능한 모든 우라늄이 소진될 때까지 다른 우라늄 원자의 핵분열을 일으킨다. 이것을 연쇄반응이라고 한다. 인공 핵 변환은 방사성 폐기물의 부피와 위험을 줄이기 위한 가능한 메커니즘으로 여겨져 왔다.

알케미

전염이라는 용어는 연금술로 거슬러 올라간다. 연금술사들은 염기 금속을 금으로 바꾸는 번데기 능력이 있는 현자의 돌을 추구했다. 연금술사들은 흔히 번데기를 신비적, 즉 종교적인 과정을 비유하는 것으로 이해하지만, 일부 개업자들은 문자 그대로의 해석을 채택하고, 물리적 실험을 통해 금을 만들려고 했다. 금속성 투과성의 불가능성은 중세 이래로 연금술사, 철학자, 과학자들 사이에서 논의되어 왔다. 사이비 화학적 변환은 14세기 초에 불법화되었고 공개적으로 조롱되었다. 마이클 마이어와 하인리히 쿤랏과 같은 연금술사들은 금 제조에 대한 부정한 주장을 폭로하는 소송들을 썼다. 1720년대까지, 물질들이 금으로 물리적으로 전이되는 것을 추구하는 존경할 만한 인물은 더 이상 존재하지 않았다. 18세기 앙투안 라부아지에르는 원소의 화학 이론을 현대 화학 원소 이론으로 대체했고, 존 달튼은 다양한 화학적 과정을 설명하기 위해 원자의 개념을 더욱 발전시켰다. 원자의 분해는 연금술사들이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 에너지를 포함하는 구별되는 과정이다.

현대물리학

그것은 프레데릭 소디가 1901년 어니스트 러더포드와 함께 방사성 토륨이 스스로를 라듐으로 변환하고 있다는 것을 발견했을 때 처음으로 현대 물리학에 의식적으로 적용되었다. 소디는 나중에 깨달은 순간, "루더포드, 이건 전송이야!"라고 외쳤다고 회상했다. 러더포드는 되받아쳤다, "제길, 소디, 그것을 트랜스듀트라고 부르지 마. 저놈들은 연금술사로서 우리 머리를 깎아버릴 테니까."

러더포드와 소디는 알파 붕괴 유형의 방사능 붕괴의 한 부분으로 자연 전이를 관찰하고 있었다. 최초의 인공변환술은 1925년 루더퍼드 밑에서 일하는 연구원인 패트릭 블랙켓에 의해 질소 14N + α → 17O + p. 러더포드가 1919년 알파폭발 exp에서 양성자(그는 수소원자라고 불렀다)가 방출되는 것을 보여주었다.침전물 그러나 그는 잔류 핵에 대한 정보가 없었다. 블랙켓의 1921-1924년 실험은 인공 핵 투과 반응에 대한 최초의 실험 증거를 제공했다. 블랙켓은 기초적인 통합 과정과 잔류 핵의 정체성을 정확하게 식별했다. 1932년 러더포드의 동료인 존 콕크로프트와 어니스트 월튼에 의해 완전히 인공적인 핵반응과 핵투과가 이루어졌는데, 그는 리튬-7에 대해 인위적으로 가속된 양성자를 사용하여 핵을 두 개의 알파 입자로 분할했다. 이 위업은 비록 오토 한, 리즈 메이트너, 그리고 그들의 조수 프리츠 스트라스만이 무거운 원소에서 1938년에 발견한 현대의 핵분열 반응은 아니지만, 널리 "원자를 쪼개는 것"으로 알려져 있었다.

20세기 후반에는 우주에서 무거운 원소들의 상대적 풍부함을 설명하면서 별들 내 원소들의 전이가 정교해졌다. 빅뱅과 다른 우주선 공정에서 생성된 처음 다섯 원소들을 위해 절약된 별 핵합성은 붕소보다 무거운 모든 원소들의 풍부함을 설명하였다. 1957년 논문 '별에서 원소 합성'에서 윌리엄 알프레드 파울러, 마거릿 버브리지, 제프리 버브리지, 프레드 호일은 별에서 핵합성 과정을 통해 가장 가벼운 화학 원소를 제외한 모든 원소의 풍부함을 어떻게 설명할 수 있는지 설명했다. 진정한 핵 투과에서는 연금술사들이 열심히 추구했던 역반응보다 금을 납으로 바꾸는 것이 훨씬 쉽다는 것을 알게 되었다. 핵 실험은 성공적으로 납을 금으로 변환시켰지만, 비용은 어떤 이득도 훨씬 초과한다. 원자로에 납을 장기간 방치하면 중성자 포획과 베타 붕괴를 통해 납을 금으로 전환하는 것이 더 쉬워질 것이다.

글렌 시보그는 비스무트로부터 수천 개의 금 원자를 생산했지만 순손실을 보았다.