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천연 우라늄(⁹²U)의 동위원소 비율이 핵연료로 사용되기 위해 농축이 필요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 원자번호 92번의 천연 우라늄은 사실 하나의 핵종이 아니라 여러 동위원소의 혼합물인데요, 물론 99% 이상은 우라늄-238이지만, 우라늄-235, 우라늄-234 역시 함께 존재합니다. 이 중에서 자발적으로 열중성자에 의해 쉽게 핵분열을 일으켜 연쇄 반응을 유지할 수 있는 핵종은 질량수 235를 가지는 우라늄인데요, 우선 천연 우라늄을 그대로 쓸 수 없는 이유는 열중성자에 잘 분열하지 않기 때문입니다. 이는 대부분의 중성자를 흡수해버리고, 핵분열보다는 다른 반응을 유발하기 때문에 연쇄 핵분열 반응을 직접적으로 유지할 수 없습니다. 또한 천연 상태에서 0.7% 정도밖에 되지 않아, 일반적인 원자로에서 필요한 연쇄 반응 조건을 만족하기 어렵습니다.따라서 원자로에서는 존재 비율을 3~5% 수준까지 높여야 안정적인 연쇄 반응을 유지할 수 있기 때문에, 이를 위해 기체 확산법, 가스 원심분리법 같은 방법으로 천연 우라늄에서 가벼운 동위원소를 분리·농축하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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방사선 중 α, β가 빛이 아니라 입자라는 것을 어떻게 알게 되었나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 19세기 말 방사선이 처음 발견되었을 때는 단순히 투과력이 다르고 전기·자기장에서의 거동이 다른 세 종류의 선으로만 구분되어 α선, β선, γ선이라고 불렀는데요 그러나 실험을 거듭하면서 α, β가 단순한 빛이 아니라 물질적인 입자라는 사실이 밝혀졌습니다. 우선 α선(알파선)이 입자임을 알게 된 과정은 러더퍼드의 투과력 시험을 통해서인데요, α선은 얇은 종이 한 장에도 막혔지만, β선과 γ선은 더 강한 투과력을 보였습니다. 만약 α선이 단순한 전자기파라면 이렇게 쉽게 막히지 않을 텐데, 물질과 강하게 상호작용한다는 점에서 입자성을 의심하게 되었습니다. 이후 자기장과 전기장에서의 굴절을 통해 α선이 전하를 띤 채 입자처럼 휘어진다는 것이 확인되었습니다. 다음으로 β선(베타선)이 입자임을 알게 된 과정은 전기장·자기장에서의 편향 현상 때문인데요, β선은 α선보다 훨씬 많이 휘어졌으며, 이는 질량이 훨씬 작고 음전하를 띤다는 것을 의미했습니다. 또한 β선의 전하/질량비( e/m 값 )을 측정한 결과, 일반적인 전자와 동일했으며 따라서 β선은 전자 방출임이 확정되었습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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원자핵의 결합에너지 곡선이 핵융합과 핵분열이 모두 에너지를 방출할 수 있는 이유를 어떻게 설명해 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵융합과 핵분열이 모두 에너지를 방출할 수 있는 이유는 원자핵의 결합에너지 곡선의 형태에서 이해할 수 있는데요, 우선 결합에너지란 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자를 분리하기 위해 필요한 에너지를 말하는 것이며 따라서 핵자 1개당 결합에너지가 클수록 원자핵은 더 안정합니다.이때 수소, 헬륨 등 가벼운 원소는 핵자당 결합에너지가 낮으며, 철, 니켈과 같은 중간 원자는 결합에너지가 최댓값을 가지며 약 8.8 MeV/핵자로 가장 안정합니다. 그 이상으로의 중원자·중원소에 속하는 우라늄, 플루토늄 등 무거운 원소의 경우에는 결합에너지가 점차 감소하는데요 즉, 곡선은 왼쪽에서 급격히 올라가 철 부근에서 최대에 도달한 뒤, 오른쪽으로 갈수록 천천히 내려갑니다. 따라서 가벼운 원소는 철보다 결합에너지가 낮기 때문에 이들이 융합하여 질량수가 더 큰 원자핵을 만들면, 생성된 핵은 결합에너지가 더 크므로 더 안정합니다. 따라서 안정한 핵이 형성되면서, 결합에너지 차이가 에너지가 빛과 열의 형태로 방출되며 예를 들어서 수소 → 헬륨, 헬륨 → 탄소, 산소 등으로 융합할 때 에너지가 방출됩니다. 반대로, 매우 무거운 원소는 철보다 결합에너지가 낮은데요 따라서 이들이 쪼개져 더 작은 조각이 세슘, 크립톤 등 철에 가까운 중원소을 만들면, 생성된 조각들의 결합에너지가 더 커지게 되므로 쪼개진 쪽이 더 안정한 상태가 되어, 그 차이가 운동에너지와 방사선의 형태로 방출됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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이번 국정자원화재 리튬이온배터리에 대해
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 리튬이온배터리의 화재가 쉽게 꺼지지 않는 이유는 크게 두 가지로 설명이 가능한데요, 우선 자체 산화-환원 반응이 불길을 유지합니다. 리튬이온배터리는 고에너지 밀도를 가지도록 설계되는데요, 이때 내부에 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트 등과 같은 가연성 유기 전해질과 활성 금속 리튬 화합물이 들어있습니다. 화재가 시작되면 배터리 안의 전해질이 기화하면서 가연성 가스를 내뿜고, LiCoO₂와 같은 양극 물질이 고온에서 산소를 방출하는데요, 이때 산소가 외부에서 공급되지 않아도 자체적으로 나와서 연소를 지속시킬 수 있습니다. 즉, 배터리 자체가 연료이자 산화제의 능력을 동시에 품고 있는 셈이기 때문에 쉽게 꺼지지 않는 것입니다. 또한 충격, 단락, 과충전 등으로 배터리 내부 온도가 급격히 올라가면, 전해질 분해로 인해 더 많은 열 발생하고 양극에서의 산소 방출로 불길이 확대되며, 분리막 파괴로 인해 내부 단락이 심화됩니다. 이런 연쇄적인 발열 반응이 스스로 이어지면서 화재가 커지는 것이며, 한 번 열폭주가 시작되면 배터리 내부의 화학 반응이 스스로 불길을 키우기 때문에, 외부에서 물이나 일반 소화기를 뿌려도 쉽게 꺼지지 않는 것입니다. 특히 물은 전해질과 반응해 수소 같은 가연성 가스를 발생시킬 수 있어 오히려 위험할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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핵반응에서 발생하는 중성자의 속도를 조절하기 위해 감속재를 사용하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 핵반응에서 방출되는 중성자는 대체로 수 MeV 단위의 운동에너지를 가지며, 이는 약 10^7 m/s에 달하는 매우 빠른 속도인데요, 이렇게 빠른 고속 중성자는 다른 원자핵과 부딪히더라도 핵반응을 잘 일으키지 못하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 우라늄-235 같은 핵분열성 동위원소는 중성자가 충분히 느린 열중성자, 약 0.025 eV 수준인 경우에 더 잘 포획되어 핵분열을 일으킵니다. 따라서 원자로에서는 중성자의 속도를 줄여주는 감속재가 필요한 것입니다. 이때 흑연이나 베릴륨 같은 물질을 사용하는 이유는 핵과 질량 차이와 에너지 전달 효율 때문인데요, 중성자가 원자핵과 충돌하면 마치 당구공처럼 운동에너지를 전달합니다. 이때 감속 효율은 충돌하는 원자핵의 질량이 중성자와 비슷할수록 큽니다. 수소는 이상적이지만, 물(H₂O)을 감속재로 쓰면 수소가 중성자를 흡수하는 단점이 있으며, 흑연(탄소, 질량수 12)이나 베릴륨(질량수 9)은 흡수 확률이 매우 낮으면서도 여러 번 충돌하면 충분히 중성자의 속도를 낮출 수 있기 때문에 주로 사용됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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별의 질량에 따라 핵융합 반응이 다르게 진행되는 이유는 무엇이며, 초신성 폭발은 어떤 핵반응의 결과인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 별의 질량이 핵융합 과정에 큰 영향을 주는 이유는 중심부 압력과 온도가 달라지기 때문인데요, 별의 질량이 크면 그 무게가 스스로를 더 강하게 압축하므로, 중심부의 압력과 온도가 매우 높아집니다. 이때 핵융합은 원자핵이 서로의 쿨롱 장벽, 즉 전하의 반발력을 극복해야 일어나는데, 이때 필요한 에너지가 바로 온도와 압력에서 공급됩니다. 따라서 태양급 이하의 질량이 작은 별에서는 주로 양성자-양성자 연쇄 반응이 지배적이지만, 질량이 태양 질량의 약 1.5배 이상의 큰 별에서는 중심부가 더 뜨거워져 CNO 순환 반응이 주된 핵융합 메커니즘이 되는 것입니다. 따라서 질량이 매우 큰 별은 이후 중심부에서 헬륨 융합 → 탄소 융합 → 네온, 산소, 규소 융합을 거치면서 점점 무거운 원소를 만들어내며, 철(Fe)까지 생성될 수 있는 것입니다. 반면에 철은 결합에너지 곡선의 최정점에 있기 때문에, 철보다 무거운 원소를 만드는 과정은 핵융합이 아니라 오히려 에너지를 흡수하는 흡열 반응인데요, 따라서 철이 중심에 축적되면 더 이상 에너지 생산이 불가능해지고, 중심부는 중력 붕괴를 막을 압력을 잃게 됩니다. 그 순간 중심핵은 빠르게 수축하고, 전자가 양성자와 결합해 중성자를 형성하는 과정인 전자 포획 이 일어나며, 이 급격한 붕괴로 엄청난 충격파가 발생합니다. 이 충격파가 별의 외곽층을 날려버리면서 일어나는 현상이 바로 초신성 폭발입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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수소 폭탄의 원리에 사용되는 핵융합 반응과 원자 폭탄의 핵분열 반응의 차이점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵반응은 크게 핵분열과 핵융합으로 나뉘는데요, 이는 원자 폭탄과 수소 폭탄의 원리를 구분하는 핵심적인 차이라고 할 수 있습니다. 우선 원자폭탄은 핵분열 반응에 기반하고 있는 경우인데요, 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 무거운 원자핵이 느린 중성자를 흡수하면 두 개의 중간 크기의 원자핵으로 쪼개지면서 2~3개의 중성자와 함께 막대한 에너지를 방출합니다. 이때 새로 나온 중성자가 다시 다른 무거운 핵을 분열시키며 자기 증폭적인 폭발이 일어나는 것입니다. 다음으로 수소 폭탄과 같은 경우에는 핵융합 반응에 기반하고 있는 경우인데요, 수소의 동위원소인 중수소(²H)와 삼중수소(³H) 같은 가벼운 원자핵이 서로 융합하여 더 무거운 원자핵을 형성하면서 에너지를 방출하게 됩니다. 양성자와 같은 양전하 핵들이 전기적 반발력을 극복하고 가까워지려면 태양 중심부처럼 수천만~수억 도의 초고온·초고압 환경이 필요하며 이러한 극한 조건을 만들기 위해 먼저 핵분열 폭탄을 기폭 장치로 사용해 엄청난 온도와 압력을 형성하고, 그 다음에 핵융합 반응이 유도되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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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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