태양에서 일어나는 핵융합 반응은 어떤 과정을 통해 에너지를 방출하며, 그 에너지의 근원은 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 태양 중심부에서 수소 원자핵이 융합해 헬륨을 생성하는 핵융합 반응은 어떤 과정을 통해 에너지를 방출하며, 그 에너지의 근원은 무엇인가요?

Answer 1

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.