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우라늄의 핵분열 반응의 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 우라늄-235의 핵분열 반응은 원자력 발전의 핵심 원리이며, 기본적으로 중성자와의 상호작용을 통해 일어나는 과정인데요, 원래 우라늄-235(²³⁵U)는 홀수 개(143개)의 중성자를 포함하고 있어, 원래도 비교적 불안정한 상태입니다. 여기에 외부에서 느린 중성자 하나가 충돌하면, ²³⁵U는 중성자를 흡수해 우라늄-236(²³⁶U*)의 들뜬 상태가 되며, ²³⁶U*는 매우 불안정하기 때문에, 곧바로 두 개의 중간 크기 원자핵, 예를 들자면 바륨-141, 크립톤-92 등으로 쪼개지며, 동시에 2~3개의 새로운 중성자와 막대한 에너지를 방출하게 되는 것입니다. 또한 핵분열에서 방출된 여분의 중성자 2~3개가 다시 다른 ²³⁵U 핵과 충돌하면 새로운 분열을 일으킬 수 있습니다. 이 과정을 반복하면 자기 증폭적인 반응, 즉 연쇄반응이 유지되는데요, 만약 중성자가 너무 빨라서 우라늄 핵에 잘 흡수되지 못한다면 반응 효율이 떨어집니다. 그래서 원자로에서는 물이나 흑연과 같은 중성자 감속재를 사용해 빠른 중성자를 느린 중성자로 바꿔주는 것이며, 또한 연쇄반응이 폭주하지 않도록 보론이나 카드뮴과 같이 중성자를 흡수하는 물질인 제어봉을 넣어 중성자 수를 조절하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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태양에서 일어나는 핵융합 반응은 어떤 과정을 통해 에너지를 방출하며, 그 에너지의 근원은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 태양에서 일어나는 핵융합 반응은 대표적으로 양성자-양성자 연쇄 반응을 통해 일어나는 과정인데요, 이 과정에서 수소 원자핵들이 여러 단계를 거쳐 헬륨 원자핵을 형성하게 됩니다.우선 태양 중심부는 약 1,500만 K 이상의 고온과 약 2억 기압에 달하는 초고밀도 상태이기 때문에, 서로 양전하를 띠고 있어 강하게 반발하는 수소 원자핵들이 양자역학적인 터널링 효과 덕분에 접근할 수 있습니다. 이때 핵력이 작용하여 결합이 가능해지고, 연쇄적으로 반응이 일어나게 되는 것인데요, 우선 두 개의 양성자가 충돌해 하나는 양성자로 남고, 다른 하나는 중성자로 변하면서 양전자(β⁺)와 중성미자(νₑ)를 방출하면서 결국 중수소(²H)가 형성되는 것입니다. 이때 이 중수소가 또 다른 양성자와 융합해 헬륨-3(³He)을 만드는데요, 이후 ³He 두 개가 다시 결합해 헬륨-4(⁴He)를 형성하면서 양성자 2개가 튀어나오게 되는 것입니다. 결과적으로 4개의 양성자가 모여 1개의 헬륨 원자핵(²⁴He)을 만드는 과정에서, 질량의 일부가 사라지며 그 질량 결손이 에너지(E = mc²)로 변환됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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헬륨 풍선 다음날 안뜨는 이유가..???
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 헬륨 풍선이 다음날 가라앉는 이유는 헬륨을 적게 넣었다거나 산소랑 섞였다 때문이 아니라, 헬륨이 풍선 밖으로 새어나가기 때문입니다. 헬륨 원자는 가장 작은 원자인 수소 다음으로 작기 때문에 매우 작고, 비활성 기체라서 고무나 얇은 플라스틱 같은 풍선 재질을 쉽게 통과하는데요 그래서 풍선 속 압력이 점점 떨어지고, 공기보다 가벼운 힘인 부력이 약해지면서 결국 바닥으로 내려앉게 되는 것입니다. 반면에 놀이공원에서 파는 헬륨 풍선이 오래 뜨는 이유는 대부분 마일러, 즉 금속 박막 코팅된 PET 필름 풍선을 사용하기 때문입니다. 이 재질은 고무 풍선보다 기체 투과율이 훨씬 낮아서 헬륨이 천천히 새어나가고, 그래서 며칠~몇 주까지도 뜰 수 있습니다. 반대로 집에서 흔히 쓰는 라텍스 고무 풍선은 헬륨이 빠르게 확산돼서 하루 안에도 가라앉게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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물 온도 섭씨 50도가 뜨겁게 느껴지는데요
안녕하세요. 네, 섭씨 50도는 사람이 손으로 느끼기에는 충분히 뜨겁다고 느낄 수 있는 온도인데요, 흔히 우리가 따뜻하다라고 생각하는 온도는 보통 36~40℃ 정도이고, 온천이나 목욕탕의 물도 대체로 38~42℃ 정도가 많습니다. 그 이상이 되면 인체 피부가 금방 뜨겁다고 느끼기 시작합니다. 특히 피부는 약 43~44℃ 이상부터는 통증을 느끼는 수용기가 활성화되기 시작하는데요, 그래서 50℃ 물에 손을 담그면 짧게는 참을 수 있지만, 오래 담그면 화상을 입을 수 있습니다. 실제로는 50℃ 물은 뜨끈하다 수준이 아니라 위험할 수 있는 온도에 속합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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질량 결손과 결합 에너지는 어떻게 관련되어 있으며, 아인슈타인의 E=mc²과 어떤 연결이 있나요?
안녕하세요. 핵화학에서 말하는 질량 결손과 결합 에너지는 사실 같은 현상의 두 표현이고, 아인슈타인의 질량–에너지 등가 관계 E=mc^2으로 연결되는데요, 우선 어떤 원자핵을 만들 때, 양성자 Z개와 중성자 N개를 따로 떼어놓고 질량을 모두 합하면 그 합은 실제 원자핵의 질량보다 큰데요, 원자핵이 안정하게 결합하면서, 일부 질량이 사라진 것처럼 보이는데, 이 질량이 바로 에너지로 전환된 것입니다. 반대로 원자핵을 완전히 분리해서 다시 개별적인 양성자와 중성자로 만들려면, 그만큼의 에너지를 가해주어야 하는데요, 이때 필요한 에너지가 바로 결합 에너지이며 즉, 결합 에너지 = 질량 결손이 에너지로 전환된 양이라고 보시면 됩니다. 아인슈타인의 등가 원리에 따르면, 질량은 에너지의 한 형태인데요 따라서 핵자들이 결합하면서 안정한 핵을 만들 때, 일부 질량이 결합 에너지 형태로 바뀌어 방출되며 이 때문에 원자핵의 질량이 단순한 합보다 작아지고, 그 차이가 바로 질량 결손으로 나타나는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 어떤 차이를 가지며, 에너지 방출량은 왜 큰 차이가 나나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵분열(fission)과 핵융합(fusion)은 모두 원자핵이 더 안정한 상태로 가는 과정에서 질량 결손이 생기고, 그 차이가 아인슈타인의 식 E=mc^2에 따라 에너지로 방출된다는 점에서는 같지만, 출발점과 도달점의 차이 때문에 발생하는 에너지 양이 크게 다릅니다. 우선 핵분열이란 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수한 뒤 불안정해져 두 개의 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 과정을 말하는 것인데요, 무거운 원자핵은 원자 번호가 커질수록 양성자 사이의 쿨롱 반발력이 강해져 상대적으로 덜 안정하며 이를 쪼개면, 생성된 중간 질량 원자핵들이 원래보다 핵자당 결합 에너지가 더 큰 상태로 가게 되어, 차이만큼의 에너지가 방출됩니다.다음으로 핵융합이란 수소의 동위원소와 같이 가벼운 원자핵이 결합하여 헬륨과 같이 상대적으로 무거운 원자핵을 형성하는 과정인데요, 가벼운 원자핵들은 원자핵 당 결합 에너지가 낮습니다. 이들이 융합하여 더 무거운 원자핵(예: 헬륨)을 만들면, 훨씬 더 안정한 상태로 가며 결합 에너지가 크게 증가하며 따라서 핵융합의 에너지 방출은 핵분열보다 더 크거나 적어도 비슷한 수준이지만, 질량 대비 효율은 훨씬 더 큽니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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방사성 동위원소의 반감기(half-life)는 어떤 원리로 정의되며, 이를 통해 물질의 양을 어떻게 계산할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 방사성 동위원소의 반감기(T₁/₂)는 방사성 핵종이 불안정한 상태에서 더 안정된 상태로 자발적으로 붕괴하는 확률적 과정에 의해 정의되는데요, 이때 중요한 점은 개별 원자핵이 언제 붕괴할지는 예측할 수 없지만, 큰 수의 핵종 집단은 통계적으로 일정한 비율로 붕괴한다는 것입니다.우선 반감기 T₁/₂는 N((t)가 초기 N0의 절반이 되는 데 걸리는 시간으로 정의되는 값인데요, 핵반응은 1차 반응에 속하기 때문에 이 반감기 값이 ln2/람다 값으로 일정하다는 특징이 있습니다. 예를 들어, 어떤 방사성 동위원소의 반감기가 10년이고 초기량이 80 g이라고 하면, 10년 후에는 40g, 20년 후에는 20g, 30년 후에는 10g이 되는 것입니다. 정리하면, 반감기는 붕괴 확률에 의해 정의된 일정한 시간 단위이며, 이를 이용해 물질의 양을 계산할 수 있는 기본 원리는 지수적 감소 법칙이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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알파(α), 베타(β), 감마(γ) 붕괴는 각각 어떤 방식으로 일어나며, 원자핵의 원자번호와 질량수에 어떤 변화를 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 원자핵은 더 안정된 상태에 도달하기 위해 여러 형태의 붕괴 과정을 겪을 수 있는데, 대표적으로 알파(α) 붕괴, 베타(β) 붕괴, 감마(γ) 붕괴가 있습니다. 우선 알파(α) 붕괴란 원자핵이 헬륨 원자핵(⁴₂He, 알파 입자)을 방출하는 과정을 의미하는데요, 주로 우라늄이나 라듐, 토륨과 같이 매우 무거운 원자핵이 안정성을 얻기 위해 질량을 줄일 때 발생합니다. 다음으로 베타 붕괴에는 β⁻ 붕괴, β⁺ 붕괴, 전자 포획 세 가지가 있는데요, β⁻ 붕괴 과정에서 원자핵 내부의 중성자가 양성자로 변하면서, 전자(β⁻)와 전자 반중성미자(ν̅e)가 방출됩니다. β⁺ 붕괴 과정에서는 원자핵 내부의 양성자가 중성자로 변하면서, 양전자(β⁺)와 전자 중성미자(νe)가 방출되며, 마지막으로 전자 포획에서는 원자핵이 궤도 전자(보통 K전자)를 흡수하여, 양성자가 중성자로 바뀌고 전자 중성미자(νe)가 방출됩니다. 감마(γ) 붕괴란 원자핵이 알파 또는 베타 붕괴 후 들뜬 상태에 있을 때, 여분의 에너지를 감마선(γ, 고에너지 광자) 형태로 방출하여 안정된 낮은 에너지 준위로 전이하는 것인데요, 에너지 준위의 변화만 일어나며, 핵종 자체는 변하지 않는다는 특징이 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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텔레비젼에는 뒤에 환풍구가 있다고 하는데 단순히 열을 빼내기 위함인가요?? 아니면 다른 특별한 이유가 있나요??
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 텔레비전 뒤쪽에 있는 환풍구는 기본적으로 내부에서 발생하는 열을 배출하기 위한 목적이 가장 큰데요, 하지만 단순히 열만 빼내기 위한 것이 아니라, 기기 내부의 전자부품이 안정적으로 동작하도록 돕는 역할도 하고 있습니다. 옛날 텔레비전의 경우에는 발열이 매우 컸는데요, 브라운관은 고전압을 걸어 전자빔을 형광체에 쏘는 방식이라 전자총, 고전압 변압기, 진공관 등이 많은 열을 발생시켰습니다. 이때 내부 열이 쌓이면 전자 회로의 저항값이 변하거나 절연이 약해져 오동작 및 화재 위험이 커지기 때문에, 큰 환풍구를 통해 자연 대류로 열을 빼내야 했던 것이며, 또한 일부 환풍구는 금속망 구조로 되어 있어 공기 흐름을 허용하면서도 전자파가 외부로 새어 나가는 것을 줄이는 역할도 했습니다. 반면에 현대의 텔레비전의 경우에는 디스플레이 패널 자체는 발열이 적고, 회로는 반도체 기반이라 발열이 줄었습니다. 따라서 예전처럼 큰 환풍구가 필요하지 않습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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방사선(α, β, γ)이 물질을 통과할 때 각각 어떤 차별적인 투과력을 가지며, 이로 인해 어떤 차별적인 차폐재가 필요한가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 α, β, γ 방사선은 물질과 상호작용하는 방식과 질량, 전하, 에너지 특성이 다르기 때문에 투과력에서 큰 차이를 보이며, 따라서 차폐재도 서로 다르게 요구되는데요, 우선 α선은 사실 He²⁺ 입자를 말하는 것으로 질량이 크고, 이온화력이 매우 강하므로 짧은 거리를 이동하면서 대부분의 에너지를 물질에 빠르게 전달합니다. 질량이 크다보니, 공기 중에서는 수 cm 정도밖에 이동하지 못하며, 종이 한 장이나 피부 표피층만으로도 차단되기 때문에 특별한 두꺼운 차폐재가 필요하지 않고, 얇은 종이, 장갑, 의복 등으로도 충분합니다. 다만 체외에서는 거의 위험하지 않지만, 체내로 흡입되거나 섭취될 경우 주변 조직에 강한 국소적 손상을 일으킬 수 있습니다.다음으로 β선은 전자를 의미하는데요, 질량이 작고 -1의 전하를 가지며, α선보다 투과력이 크지만 여전히 이온화 작용을 통해 점차 에너지를 잃습니다. 공기 중 수 m 정도 이동 가능하며, 얇은 알루미늄판 정도로도 쉽게 차단되기 때문에 플라스틱, 유리, 알루미늄 같은 가벼운 물질로 충분히 막을 수 있습니다. 단, 납처럼 밀도가 높은 금속을 사용하면 오히려 제동복사(X선)가 발생할 수 있어 적절하지 않습니다. 마지막으로 γ선은 고에너지 전자기파인데요, 전자기파로서 질량과 전하가 없으며, 에너지가 매우 크고 물질과의 상호작용은 광전효과, 콤프턴 산란, 전자쌍 생성 등의 기작으로 일어납니다. 이때 투과력이 매우 커서 수 cm 두께의 납판, 수십 cm 두께의 콘크리트도 필요한데요, 따라서 납이나 텅스텐, 두꺼운 콘크리트와 같이 밀도가 높은 물질이 차폐재로 사용되며, 두께가 충분히 확보되지 않으면 완벽한 차폐가 어렵습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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