Chemistry/생활 속 화학

핵화학 | 핵결합 에너지

곰뚱 2021. 1. 18.

핵결합 에너지(nuclear binding energy)는 핵자가 결합하여 핵을 생성할 때 방출되는 에너지라고 정의할 수 있다. 원자의 질량은 항상 원자를 이루는 전자, 양성자, 중성자 등의 전체 질량보다는 더 작다. 예를 들면 ⁴₂He은 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성되어 있다. 그러나 ⁴₂He의 실제 질량은 이 네 핵자들의 질량의 합보다 적다. 즉,

2 × 양성자의 질량 = 2 (1.00728 amu) = 2.01456amu

2 × 중성자의 질량 = 2 (1.00867 amu) = 2.01734amu

합계 = 4.03190amu

⁴₂He의 질량 = 4.0015amu

부족한 질량 = 0.0304amu

따라서 핵 내에 있는 입자들의 결합 에너지는 바로 이 결손된 질량에 해당하는 에너지이며, Einstein의 상대성 이론인 ΔE=Δmc²으로 구한다. 이 식에서 ΔE는 에너지(erg 또는 joule=kg㎡/sec²), Δm은 질량(㎏) 그리고 c는 빛의 속도(m/sec)이다.

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핵자당 결합 에너지(binding energy per nucleon ; 평균 결합 에너지)는 핵결합 에너지를 핵 속에 있는 핵자의 수로 나눈 값이다. 한 핵의 안정성과 다른 핵의 안정성을 비교하는 데 있어서는 핵자당 결합 에너지가 핵결합 에너지보다 더 유용하다.

탄소보다 원자번호가 큰 원소는 약 7.5～8.8MeV의 핵자당 결합 에너지를 가지며, 결합 에너지가 높을수록 그 핵종은 더 안정하다. 가장 높은 수치 즉, 가장 안정된 핵은 중간 질량수인 약 40과 100사이의 것들로서 주기율표의 철, 코발트, 니켈 영역에 있는 원소들이다. 철과 니켈은 우주에서 풍부한 원소들 중에 속하고 그 풍부함은 바로 핵 안정성 때문이다. 보다 무거운 원소에 있어서의 핵자당 결합 에너지는 약간 떨어져서 약 7.5MeV에 이른다.

중간 질량수를 갖는 원소의 핵은 가장 안정되어 있으므로 질량수가 보다 작은 원소나 큰 원소가 [그림 2]에서 곡선의 중간에 있는 원소로 전환되면 에너지가 방출된다. 핵융합(nuclear fusion)은 두 개의 가벼운 핵이 결합하여 중간 질량수의 보다 무거운 핵을 이루는 핵반응이다.

그리고 핵분열(nuclear fission)은 무거운 핵이 두 개의 가벼운 핵으로 분열하는 것으로 이때 다른 입자가 생성되기도 한다. 원자핵은 핵분열과 핵융합으로 [그림 2]에서 곡선의 중간에 있는 핵으로 전환될 때 더 안정하게 되며 연관된 원자핵의 총 질량은 감소하고 에너지가 발생한다. 즉 핵분열과 핵융합은 핵자당 결합에너지를 증가시킴으로써 핵을 보다 안정성이 큰 영역으로 전환시킨다.