핵반응에서 생기는 에너지의 원천은 반응과 동시에 일어나는 질량의 변화이다. 이 질량과 에너지의 관계는 Einstein의 상대성 이론인 ΔE=Δmc2으로 표시된다. 이 식에 의하면 어떤 핵반응에서 1g의 물질이 에너지로 변환된다면 무려 21조 칼로리의 에너지가 방출된다는 것이다. 이것은 보통의 화학반응에서 방출되는 에너지와는 비교도 안될 만큼 막대한 양이다.
과학자들은 태양이 수백만 년 동안 계속해서 에너지를 방출하는데 대하여 오랫동안 의문을 가져 왔었다. 그러나 분광기를 통한 연구로 태양에는 수소와 헬륨이 많이 존재하고 있음을 알게 되었다. 그리고 핵반응에서 수소 원자가 모여 헬륨을 형성할 때 많은 에너지가 방출된다는 결론을 얻었다. 이 반응은 여러 단계를 거쳐 일어나는 것으로 다음과 같다.
(4)식에서 생성된 헬륨은 4개 수소의 질량보다 작다. 그 이유는 헬륨을 생성하면서 열, 빛 그리고 방사능이라는 형태로 상당히 많은 에너지를 방출하여 질량 손실이 있었기 때문이라고 볼 수 있다. 수소 원자가 융합하여 더 무거운 동위원소인 헬륨을 생성할 때 이 반응을 핵융합(nuclear fusion)이라고 한다. 핵융합에 따르는 에너지는 같은 질량의 무거운 원소가 핵분열을 일으킬 때 생기는 에너지에 비하여 약 4배에 가까운 막대한 양이다. 수소탄에 사용된 다음 반응이 핵융합 반응의 대표적인 것이다.
이 반응은 아주 높은 온도에서만 급속히 진행된다. 수소탄에서는 처음에 핵분열로서 고온을 얻고 이 고온이 방아쇠의 역할을 하여 핵융합이 일어난다.
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