원자핵의 결합에너지 곡선이 핵융합과 핵분열이 모두 에너지를 방출할 수 있는 이유를 어떻게 설명해 주나요?
안녕하세요. 원자핵의 결합에너지 곡선은 철 원자를 기준으로 철보다 작은 쪽에서는 결합에너지가 점차 증가하다가 철보다 무거운 원자쪽으로는 감소하는데요, 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.