과학 수업듣다 궁금해진 질량보존법칙

Question

질량보존법칙에 의하면 질량은 외부의 유입이나 외부로의 방출이 일어나지 않으면 보존(유지)되어야 하잖아요?

그런데 어느 책에서 본 바로는 핵폭팔이 일어날 때 질량이 증가한다고 했었어요, 이건 어느쪽이 맞고, 이유는 뭘까요?

Answer 1

안녕하세요. 신광현 전문가입니다.

질량보존법칙은 고전 화학 반응에서 외부 유입/방출이 없는 닫힌계의 총질량이 변하지 않는 원리를 말합니다. 그러나 핵폭발(핵분열이나 핵융합)에서는 반응 전후 총질량이 미세하게 감소하는데, 이는 "질량 결손"으로 불립니다.

이 결손된 질량은 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리 [E = mc^2]에 따라 막대한 에너지(열, 빛, 폭발력)로 변환되어 방출됩니다. 예를 들어 우라늄 핵분열 시 약 0.1%의 질량이 에너지로 바뀌어 원자폭탄의 파괴력을 만듭니다.

책에서 본 "질량 증가"는 오해로, 특수상대성이론의 상대론적 질량(고속 입자의 운동 에너지로 인한 겉보기 질량 증가)을 핵반응 전체에 잘못 적용한 경우일 가능성이 큽니다. 실제 핵반응 전체 질량-에너지 총량은 보존되지만, 휴지 질량(rest mass)은 감소합니다.

즉 오해의 이유는 책에서 "질량 증가"라고 한 것은 특수상대성이론에서 고속 입자의 상대론적 질량 증가를 잘못 적용한 경우일 수 있습니다. 하지만 핵폭발 전체 질량은 감소하며, 방출 에너지가 엄청납니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

질량보존법칙은 고등학교 화학에서 배우는 범위 안에서는 완벽하게 맞아요. 일반적인 화학반응에서는 원자의 종류와 개수가 바뀌지 않기 때문에 반응 전후의 질량이 정확히 같아요.

그런데 핵반응 영역으로 가면 이야기가 달라져요. 아인슈타인의 E=mc² 공식에 따르면 질량과 에너지는 서로 전환될 수 있어요. 핵분열이나 핵융합이 일어나면 반응 후 생성물의 질량 합이 반응 전보다 약간 줄어드는데, 이 줄어든 질량이 어마어마한 에너지로 변환되는 거예요. c가 빛의 속도인 초속 3억 미터이고 이걸 제곱하면 엄청난 숫자가 되기 때문에, 아주 작은 질량 감소만으로도 핵폭발이라는 거대한 에너지가 나오는 거예요.

책에서 질량이 증가한다고 본 부분은 아마 핵융합 과정에서 외부 에너지를 흡수하는 특수한 반응을 설명한 것이거나, 혹은 상대성이론에서 운동에너지가 커지면 관측되는 질량이 증가한다는 상대론적 질량 개념을 다룬 것일 수 있어요. 일반적인 핵폭발에서는 질량이 감소하면서 에너지가 방출되는 것이 맞아요.