핵화학 기본 개념(핵분열, 핵융합)

 

원자핵. 핵에 있는 양성자들은 전기적으로 서로 반발하나, 핵자 사이에 작용하는 강한 힘이 핵들을 결합하게 함

 

원자력에너지는 방사성 폐기물이라는 위험한 물질에도 불구하고 미래 에너지원으로서 끊임없이 연구되고 있습니다. 원자력에너지는 원자핵의 핵화학 반응을 통한 핵에너지입니다. 여전히 많은 핵화학자가 핵연료의 준비부터 재사용, 그리고 방사성 폐기물을 안전하게 처리하기 위한 기술들을 연구하고 있습니다. 현재 핵화학은 질병 진단, 연구 및 치료 등 의학에 널리 이용되고 있는데, 가장 획기적인 것은 영상화 분야에서 이루어졌습니다. 불소-18과 같은 양전자 방출제를 이용한 양전자 방출 단층 촬영술(PET)은 인체 조직의 상세한 영상을 얻는 기법입니다. 이렇듯 의료기술에서 매우 중요한 위치에 있는데, 암을 치료하는 데 활용되기도 합니다. 핵화학은 의학계뿐만 아니라, 화학계에서는 반응 메커니즘의 연구에 매진하고, 고고학에서는 발견된 유물의 연대를 알아보는 데 사용되며, 또한 군사적 전략의 일부이기도 합니다. 핵에너지는 국제적으로 논쟁이 끊이지 않는 부분이기도 합니다. 

 

핵분열과 핵융합

근현대 과학에서 원자핵은 화학 반응에서 변화하지 않고 고유하다고 간주되어 전자와 관련된 반응에만 집중하여 발달해왔습니다. 하지만 지금은 핵에너지가 우리 삶에서 뗄 수 없는 분야가 되었습니다. 핵에너지를 이용할 때 중요한 반응은 바로 원자핵의 핵분열과 핵융합입니다. 

핵분열은 큰 원자핵이 더 작은 원자핵으로 변화하는 것으로 에너지 원천입니다. 하지만 핵분열의 결과로 발생하는 방사성 폐기물은 지구상의 모든 생명체에 치명적으로 위험합니다. 실제로 체르노빌 사건과 현재까지도 많은 논쟁을 불러일으키고 있는 일본 핵폐기물의 해양배출에 대한 이슈도 위험성 때문입니다. 핵융합은 작은 핵이 합쳐져서 큰 핵으로 융합되는 것입니다. 핵분열과 핵융햡은 미래의 새로운 에너지원으로서 주목받고 있으며, 이러한 핵화학 반응을 일으키는 핵공정은 인류 미래에 아주 중요한 부분으로서 연구되고 있습니다. 

 

핵붕괴

원자핵은 아주 특이한 입자입니다. 원자핵은 양성자의 양전하에도 불구하고 아주 작은 부피에 중성자와 양성자가 강력하게 결합하여 채워져 있습니다. 핵 안에 있는 양성자들 사이에 엄청난 반발력이 있음에도 핵은 무한히 생존합니다. 어떤 특정 종류의 핵에서는 양성자의 반발력이 핵종을 감싸는 힘을 능가하기도 하는데, 이때 핵의 조각이 방출되며 핵이 '붕괴'된다고 말합니다. 핵붕괴는 원자핵의 존재를 알기 전인 1896년 프랑스 과학자 Henri Becquerel이 우연히 산화 우라늄을 사진 건판이 있는 서랍에 함께 보관하면서 발견했습니다. 우라늄으로부터 방출된 방사선은 우라늄 원자로부터 시작된다는 것을 알고 난 후, 1898년 Rutherford는 방사선 방출에 미치는 전기장의 작용을 관찰하여 세 가지 상이한 형태의 방사선을 확인하게 됩니다. 가장 일반적인 원자핵의 방사선은 알파입자(양으로 대전된 입자로 구성, 헬륨 원자의 핵), 베타입자(음으로 대전된 입자로 구성, 핵으로부터 방출되어 빠르게 움직이는 전자), 감마 방사선(고에너지 전자기 복사선으로 전기장에 영향을 받지 않음)입니다.   

이러한 발견이 불과 100여년 정도 전이라고 생각하니, 그 사이 핵반응에 대한 연구가 엄청나게 진행되었구나 싶습니다. 

 

핵반응

핵 조성의 변화를 핵반응이라고 부릅니다. 일반적으로 원자핵은 핵자라고 불리는 양성자와 중성자가 강력하게 결합한 상태로, 어떤 주어진 원자 번호와 질량수를 가진 특정한 원자핵을 핵종이라고 부릅니다. 구조를 자발적으로 변화시켜 방사선을 방출하는 핵을 방사성이라 부르며, 그 결과로 다른 핵종이 얻어집니다. 

 

핵반응은 일반적인 화학 반응과 여러 면에서 다릅니다. 

1. 동일한 원소의 동위원소들은 동일한 화학 반응을 보여 주지만, 아주 다른 핵반응을 일으킨다. 

2. 알파 또는 베타입자가 원자핵에서 방출되는 경우, 양성자 수가 다른 원자핵이 남게 됩니다. 즉 방출된 양성자 때문에 핵반응 이후 원래와 전혀 다른 원소의 원자핵이 되는 것입니다. 이렇게 한 원소가 다른 원소로 변환되는 것을 핵변환이라고 부릅니다. 

3. 화학 반응에서보다 핵반응에서의 에너지 변화가 월등히 큽니다. 예를 들어 메테인 1.0g을 연소시키면 52 k의 열을 방출하지만, 우라늄-235를 1 g 핵반응을 시키면 백만배나 큰 820,000,00 kJ의 열이 방출됩니다. 

 

오늘은 원자핵, 즉 핵반응에 대하여 알아보았습니다.