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핵화학에서 안정대란 무엇이며, 중성자와 양성자 비율이 원자핵의 안정성에 어떤 영향을 미치나요?
안녕하세요. 네, 핵화학에서 말씀하신 안정대(stability belt)는 핵종의 안정성을 이해하는 핵심 개념인데요, 우선 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있는데, 이들의 비율에 따라 안정하거나 불안정해집니다. 또한 모든 알려진 핵종을 중성자수(N) vs. 양성자수(Z) 좌표에 점으로 찍어보면, 안정한 핵종들은 한 줄로 모여 나타납니다. 이 영역을 안정대라고 부르며, 안정대에 위치하는 핵종은 방사성 붕괴 없이 오래 존재할 수 있고, 안정대를 벗어난 핵종은 α, β, γ 붕괴 등을 통해 안정대로 수렴하려는 경향을 보입니다. 이때 원자번호 20번 이하의 가벼운 원소들의 경우에는 중성자와 양성자의 수가 거의 같을 때 안정하며, 반면에 무거운 원자핵의 경우에는 양성자가 많아지면 양성자들 사이의 쿨롱 반발력이 커지므로, 이를 억제하기 위해 상대적으로 중성자의 수가 더 많아야 안정합니다. 따라서 안정대는 N=Z 직선에서 점점 위쪽(N이 더 많은 쪽)으로 휘어 올라갑니다. 하지만 불안정한 비율일 경우에는 붕괴 경향을 나타내는데요, N/Z가 너무 작을 때(양성자가 과다)에서는 양전자 방출(β⁺) 또는 전자 포획을 통해 양성자를 중성자로 바꿔 안정대에 접근합니다. 반면에 N/Z가 너무 클 때(중성자가 과다)에는 β⁻ 붕괴(전자 방출)를 통해 중성자를 양성자로 바꿔 안정대에 접근하며, Z가 아주 큰 경우(Z > 83)에는 아무리 중성자가 많아도 전기적 반발이 너무 크기 때문에 α 붕괴나 핵분열을 통해서만 안정화됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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의학적으로 사용하는 방사성 동위원소는 어떤 원리로 진단 또는 치료에 활용되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 의학적으로 사용하는 방사성 동위원소는 방사선이 생체 조직과 상호작용하는 특성을 이용하며 진단에서는 인체 내부의 대사나 장기 기능을 영상화하거나 추적하고, 치료에서는 종양 세포 같은 표적 조직을 파괴하는 데 활용됩니다. 우선 질문해주신 아이오딘-131은 β선(전자)과 γ선을 동시에 방출하는 동위원소인데요, β선은 조직 내 짧은 거리에서 강한 에너지를 전달해 세포를 파괴하며, γ선은 체외에서 검출 가능하고 영상 진단에 활용됩니다. 또한 요오드는 체내에서 주로 갑상선에 선택적으로 축적되며 갑상선 호르몬 합성에 필요한데요, 따라서 I-131을 소량 투여하면 방출되는 γ선을 감마카메라나 PET 유사 장비로 감지하여 갑상선 기능 저하증·항진증 평가, 갑상선 결절이나 암 전이 위치 추적에 사용됩니다. 또한 고용량 I-131은 방출되는 β선이 갑상선 조직 세포를 직접 파괴하는데, 이 원리를 이용해 갑상선암 수술 후 잔여 조직 제거, 기능항진증 치료에 널리 사용됩니다.또한 코발트-60은 고에너지 γ선을 방출하는 대표적인 인공 방사성 동위원소로, γ선은 투과력이 크고, 깊은 조직까지 도달 가능합니다. 이때 Co-60은 주로 방사선 치료기(코발트 치료기)에서 사용되는데요, 암 조직에 고에너지 γ선을 집중 조사하여 DNA 이중가닥 절단을 유도하며 종양 세포 증식 억제 및 사멸을 유발합니다. 특히 과거에는 코발트 치료기가 외부 방사선 치료의 표준이었으며, 현재는 선형가속기(LINAC)에 점차 대체되었지만, 자원이 제한된 국가나 특정 상황에서는 여전히 활용되고 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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방사선이 생체 분자에 손상을 주는 기작은 무엇이며, 어떤 종류의 방사선이 상대적으로 더 위험한가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 방사선이 생체 분자에 손상을 주는 과정에서 어떤 종류의 방사선이 더 위험한지는 총량, 선량률, 입자성, 노출 경로 등에 따라 달라집니다. 우선 방사선이 생체에 작용하면 두 가지 경로로 분자에 손상을 입히게 되는데요, 직접효과로는 고에너지 전자, 양성자, 알파입자 등의 방사선이 DNA나 단백질 같은 생체분자에 직접 충돌하여 전자를 떼어내거나 결합을 끊는 경우이며, 직접 이온화는 곧바로 화학 결합 파괴를 일으켜 기능 손상이 발생합니다. 다음으로 간접효과로는 생체 조직은 약 70%가 물이므로, 방사선은 대부분 물을 이온화·분해하여 •OH 하이드록실 라디칼, H•, H₂O₂ 등의 활성산소종을 만드는데요, 이들 활성종이 확산하여 DNA·지질·단백질을 산화시켜 손상을 일으키게 되며, 실제로 저선량 환경에서는 간접 효과가 전체 DNA 손상에서 큰 비중을 차지합니다. 대표적인 손상의 예시로는 염기 손상이 있는데요, 염기가 산화되거나 변형되어 염기쌍 형성이 잘못되면서 돌연변이 유발 가능성이 있습니다. 또한 두 가닥이 가까운 영역에서 끊어지는 경우에는 복구 실패 시 염색체 재배열, 결실, 세포사멸 또는 암 유발이 가능하기 때문에 DSB는 특히 치명적입니다. 이때 체외 노출 상황에서는 침투력이 큰 감마선·중성자가 큰 위험, 즉 전신피폭을 초래할 수 있으며, 반면에 체내로의 흡입·섭취 등의 오염 상황에서는 알파 입자가 가장 위험한데요, 좁은 부위에서 극심한 손상을 유발할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 내부에 들어가면 알파 > 중성자 ≈ 베타 > 감마의 순서로 위험성을 가지며 단위 흡 하지만 감마는 전신피폭 영향으로 치명적일 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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우라늄-235와 플루토늄-239가 원자로와 핵무기에서 주요하게 사용되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 우라늄-235(²³⁵U)와 플루토늄-239(²³⁹Pu)가 원자로와 핵무기에서 중요한 핵연료로 쓰이는 이유는 한 번 흡수된 중성자로 핵분열을 유도할 수 있는 성질 때문입니다. ²³⁵U와 ²³⁹Pu는 열중성자, 즉 느린 중성자 또는 빠른 중성자와의 반응에서 쉽게 핵분열을 일으키는데요, 핵분열 한 회에서 여러 개의 중성자가 방출되어 연쇄반응을 이어갈 수 있으며 반면 ²³⁸U 같은 동위원소는 열중성자에 대해 쉽게 분열하지 않아 직접적으로 연쇄반응을 유지하기 어렵습니다. 또한 ²³⁵U와 ²³⁹Pu는 열중성자에 대한 유효단면적이 비교적 커서, 원자로처럼 느린 중성자를 이용하는 시스템에서 효율적으로 연쇄반응을 유지할 수 있는데요, 이것은 연료를 적은 양으로도 반응을 유지할 수 있게 해 주며, 원자로 설계와 제어에 유리하기 때문에 중요한 핵 연료로 사용되는 것이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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주유시 빠르게 주유하는것과 천천히 하는것중 실제 주유되는 양의 차이는 있을까요?
안녕하세요. 질문해주신 사항에 대해서 답변해드리자면, 우선 연료 자체의 양에는 차이가 없을 것입니다. 주유기는 연료 펌프에서 정량의 휘발유 또는 경유를 보내도록 설계되어 있기 때문에, 빨리 넣든 천천히 넣든 최종적으로 유입되는 실제 연료 질량에는 차이가 없으며 즉, 계량기 상에서 표시되는 양만큼 정확하게 주유됩니다. 물론 빠르게 주유하면 연료가 압력과 속도를 가지고 들어가면서 탱크 내의 공기와 섞여 거품이나 기포가 일시적으로 형성될 수 있습니다. 이 경우 주유기 노즐에 달린 센서가 기름이 가득 찼다고 인식해 자동으로 멈추게 되는데, 사실은 거품 때문이지 실제 연료가 꽉 찬 것은 아닙니다. 따라서 빠른 주유는 탱크 용적 대비 실질 연료량이 미세하게 줄어들 가능성이 있습니다. 결론적으로 대부분의 경우, 주유를 빠르게 하든 천천히 하든 차이가 크지 않아 운전자가 느끼기 어려운 수준이며 다만, 탱크를 꽉 채우고 싶다면 천천히 주유하는 것이 거품 발생을 줄여 상대적으로 더 안정적으로 기름이 들어갈 수는 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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별 내부에서 무거운 원소가 만들어지기 어려운 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 별 내부에서 철보다 무거운 원소가 잘 만들어지지 않는 이유는 다음과 같습니다. 우선 원자핵의 안정성은 핵자당 결합에너지로 설명할 수 있는데요, ⁵⁶Fe은 가장 안정한 원자핵 중 하나로, 핵자당 결합에너지가 약 8.8 MeV로 최대에 해당합니다. 따라서 철보다 가벼운 원소인 수소~규소는 핵융합을 통해 더 안정한 핵으로 바뀌면서 에너지를 방출할 수 있고, 반면에 철보다 무거운 원소를 만들기 위해서는 오히려 에너지를 흡수해야 하므로, 별 내부의 정상적인 핵융합 과정에서는 이러한 반응이 자발적으로 진행되지 않습니다. 즉, 별의 중심에서 철이 쌓이면 더 이상 에너지 방출원으로서의 핵융합은 정지하게 됩니다. 따라서 철 이후의 원소는 정상적인 별의 핵융합 과정에서는 생성될 수 없으므로, 극한의 환경이 필요한데요, 이 환경을 제공하는 것이 바로 초신성 폭발입니다. 중심핵이 붕괴하면서 엄청난 온도와 압력, 그리고 강력한 중성자 플럭스가 발생하는데요, 이때 쏟아져 나오는 중성자는 전기적 반발 없이 핵에 쉽게 붙을 수 있어, 원자핵이 빠르게 무거워질 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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드라이아이스는 왜 액체를 거치지 않고 바로 기체가 될까요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 고체 상태의 이산화탄소에 해당하는 드라이아이스가 액체를 거치지 않고 바로 기체로 승화하는 이유는 이산화탄소의 상평형 조건인 온도와 압력과 관련이 있는데요, 우선 이산화탄소의 고체, 액체, 기체가 모두 존재할 수 있는 삼중점은 약 –56.4 ℃, 5.1기압의 조건인데요, 이처럼 삼중점은 고체, 액체, 기체가 동시에 존재할 수 있는 온도·압력 조건인데, 이 값보다 낮은 압력에서는 액체 상태의 이산화탄소가 존재할 수 없습니다. 반면에 우리가 살고 있는 지구 표면의 대기압은 약 1기압으로, 삼중점 압력인 5.1기압보다 훨씬 낮습니다. 따라서 드라이아이스는 1기압, 즉 대기압에서 두면 온도가 올라가면서 고체 상태가 불안정해지는데요, 하지만 이때 액체 상태의 이산화탄소는 안정적으로 존재할 수 없으므로, 고체가 직접 기체로 변하는 승화가 일어나는 것이며, 따라서 드라이아이스는 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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핵융합 반응이 고온‧고압 조건에서만 일어나는 이유는 무엇이며, 태양에서 핵융합이 안정적으로 지속되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵융합이 고온·고압 조건에서만 일어나는 이유를 말씀드리자면 우선 원자핵은 모두 양성자를 포함하고 있어 양전하끼리 강한 쿨롱 반발력인 정전기적 반발력을 가지는데요, 이 쿨롱 장벽을 극복하려면 원자핵이 매우 가까이 접근해야 하며, 그 순간에야 비로소 강한 핵력이 작용하여 두 핵을 결합시킬 수 있습니다. 고온에서는 원자핵들이 열운동으로 매우 빠른 속도를 가져야 충돌 시 반발 장벽을 뚫고 접근할 수 있는데요, 이때 태양 중심부는 약 1,500만 K로, 이 온도에서 양성자의 평균 운동에너지가 수 keV 수준이 됩니다. 완전히 장벽을 넘지는 못해도, 양자역학적 터널링 효과 덕분에 일정 확률로 핵융합이 일어납니다. 또한 밀도가 낮으면 핵들이 부딪힐 기회가 거의 없는데요, 하지만 고압에서는 핵들이 충분히 가까이 모여 충돌 확률이 높아져 융합이 통계적으로 일어날 수 있습니다. 태양 중심부의 압력은 지구 대기압의 수백조 배에 달합니다. 따라서 고온은 에너지 장벽 극복, 고압은 충돌 확률 증가라는 두 조건을 만족시켜야 핵융합이 가능한 것입니다.태양은 약 46억 년 동안 핵융합을 유지해 왔고, 앞으로도 약 50억 년 동안 안정적으로 반응을 지속할 수 있는데요, 우선 태양의 막대한 질량은 내부를 안쪽으로 끌어당기는 중력을 형성합니다. 한편, 중심부 핵융합에서 방출된 에너지는 광자와 플라즈마의 운동을 통해 바깥으로 전달되며, 이는 별의 외곽을 밀어내는 복사 압력을 만들어내는데요, 이 두 힘이 균형을 이루어 태양이 붕괴하거나 폭발하지 않고 안정된 상태를 유지하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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인간의 혈액과 동물의 혈액은 무엇이 다른가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 인간의 혈액과 동물의 혈액은 모두 기본적으로 혈장과 혈구 세포로 이루어져 있지만, 세부적인 차이가 있는데요, 우선 사람의 경우에는 성숙한 적혈구에는 핵이 없기 때문에 혈색소인 헤모글로빈만 가득 차 있어 산소 운반에 효율적입니다. 다른 포유류 역시 대부분 사람과 마찬가지로 적혈구에 핵이 없지만, 크기와 모양이 다를 수 있는데요, 예를 들어서 낙타는 타원형 적혈구를 가집니다. 또한 조류, 파충류, 양서류, 어류는 성숙 적혈구에도 핵이 존재하며 이를 현미경으로 보면 바로 구분이 가능합니다.다음으로 혈액 속 단백질의 종류와 비율이 종마다 다른데요, 면역학적 검사에서는 특정 항체를 이용해 사람 혈액인지, 동물 혈액인지 구별할 수 있으며 이것이 법의학 현장에서 자주 활용되는 방법입니다.혈액형 체계도 사람은 ABO식, Rh식 혈액형이 대표적인데요 동물 중에서 개는 수십 가지 혈액형, 고양이는 A, B, AB형, 말·소 등도 각각 고유한 혈액형 체계를 가지며 따라서 사람과는 전혀 다른 혈액형 분류법이 적용됩니다.게다가 헤모글로빈 단백질의 아미노산 배열도 종마다 조금씩 다르기 때문에 분자 수준에서 분석하면 사람과 동물의 차이를 확인할 수 있습니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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개방순환계와 폐쇄순환계의 차이는 무엇이며, 각각의 장단점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해 주신 것과 같이 생명체들은 저마다 다른 순환계를 가지고 있습니다. 우선 개방순환계는 혈액에 해당하는 체액인 혈림프가 혈관을 통해 한동안 흐르다가, 다시 혈관 밖으로 나와 체강 전체에 퍼지면서 직접 세포와 접촉하는데요 따라서 혈액과 조직액이 구분되지 않고 하나의 체액이 순환하며 곤충, 대부분의 연체동물, 절지동물 등이 대표적입니다. 다음으로 폐쇄순환계는 혈액이 항상 혈관 속을 따라 흐르며, 세포와는 모세혈관을 통한 물질 교환으로만 접촉하는데요, 혈액과 조직액이 분리되어 있으며, 척추동물과 일부 고등한 무척추동물이 갖고 있습니다.개방순환계는 구조가 단순하고 에너지 소모가 적은데요 따라서 압력이 낮기 때문에 순환계 유지 비용이 적고, 소형 동물이나 대사율이 낮은 생물에 적합합니다. 다만 순환 속도와 압력이 낮아 산소와 영양분을 빠르고 정밀하게 전달하기 어려우며, 따라서 빠른 움직임이나 높은 대사율이 요구되는 동물에는 불리합니다.다음으로 폐쇄순환계는 혈액이 고압으로 빠르게 순환하므로, 산소와 영양분을 조직에 효율적으로 전달할 수 있는데요 대사율이 높은 생물, 큰 체구를 가진 동물에 적합하며, 활동성이 높아질 수 있는 토대가 됩니다. 다만 구조가 복잡하고 유지에 더 많은 에너지가 필요하며 혈관계가 손상되면 치명적일 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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