원자핵에 관한 이야기

원자핵에 관한 이야기

원자의 핵은 단순한 소립자의 느슨한 집합체가 아니다. 원자핵 안에서, 입자들은 강한 핵력이라고 불리는 매우 강력한 힘에 의해 서로 결합된다. 이것은 원자핵 크기 정도의 거리에서만 작용할 수 있는 단거리 힘이다. 빠른 사고 실험은 이 힘이 얼마나 중요한지 보여준다. 여러분의 손가락을 보고 그것을 구성하는 원자들을 생각해 보세요. 그것들 중에는 삶의 기본 요소들 중 하나인 탄소가 있다. 당신의 상상력을 당신의 탄소 원자 중 하나의 핵에 집중하라. 그것은 양전하를 가진 6개의 양성자와 중성자 6개를 포함한다. 따라서, 핵은 6개의 양전하를 갖는다. 만약 전기적인 힘만 작용한다면, 이 탄소 원자와 모든 탄소 원자의 양성자들은 서로를 매우 혐오스럽게 여기고 흩어지게 될 것입니다.

강한 핵력은 전기력보다 더 강한 매력적인 힘이며, 그것은 핵의 입자들을 서로 단단히 묶게 한다. 앞서 우리는 항성이 중력의 힘에 의해 수축하여 원자를 더 가까이 모으면 중력에너지가 방출된다는 것을 보았다. 같은 방식으로 입자들이 강한 핵력 아래 모여 뭉쳐 원자핵을 형성하면 핵에너지의 일부가 방출된다. 이러한 과정에서 포기된 에너지를 핵의 결합 에너지라고 한다.

이러한 결합 에너지가 방출될 때, 생성된 핵은 그것을 형성하기 위해 함께 모인 입자들의 질량의 합보다 약간 적은 질량을 갖는다. 다시 말해서, 에너지는 질량의 손실로부터 온다. 이 약간의 질량 손실은 양성자 한 개 질량의 극히 일부에 불과하다. 그러나 손실된 질량의 각 비트는 많은 에너지를 제공할 수 있기 때문에(즉, E = mc2) 이 핵 에너지 방출은 상당히 상당할 수 있다.

 

원자핵

전기저항과 핵인력의 관계

지금까지, 우리는 핵융합 경로를 통해 태양으로부터 해방된 에너지를 만드는 매우 매력적인 요리법인 "롤"의 여러 채널을 연결하는 것 같습니다. 결과적으로, 질량의 일부를 잃고 에너지가 됩니다. 그러나 단순한 수소, 양성자, 양성자를 포함한 모든 핵무기는 모든 부담을 안고 있다. 전하가 전력에 의존하기 때문에 두 채널이 더 멀어질수록 더 가까워질 것이다. 사실, 만약 우리가 원자력 발전소에서 원자력 발전소로 가는 충격 거리에 도달한다면, 우리는 훨씬 더 큰 매력을 갖게 될 것입니다. 하지만 이 놀라운 거리는 매우 좁습니다. 핵 크기입니다. 핵융합에 참여할 수 있도록 핵에 어떻게 접근할 수 있을까요?

답은 양성자를 분리하는 전기력을 극복할 수 있을 만큼 빠른 가속이다. 태양에서, 우리가 본 것처럼, 가장 일반적인 요소는 원 안에 단 하나의 양성자를 포함하는 수소입니다. 두 개의 양성자는 온도가 1,200만 K를 초과하는 지역에서만 흐르며 평균 초당 1,000km 이상의 양성자 속도를 얻을 수 있다. (구 단위에서는 시속 2백만 킬로미터가 넘습니다.

우리 태양에서, 이러한 극한의 온도는 중심 부근의 지역에만 도달하며, 온도는 1,500만 K입니다. 추정치에 따르면, 거의 모든 태양 에너지의 양은 150이다.핵심으로부터 수천 킬로미터, 즉 전체 부피의 10% 미만이 생산된다.

이 높은 온도에서 양성자를 결합하는 것은 매우 어렵다. 평균적으로, 초당 1억분의 1의 충격 속도로, 약 140억년 동안, 태양 중심에서 가득 찬 다른 양성자의 원자들은 다른 양성자와 융합하기 전에 돌아올 것이다. 하지만, 이것은 평균 대기 시간일 뿐입니다. 태양 내부의 거대한 양성자 중 일부는 "행복한" 것이고 핵융합 반응을 일으키기 위해 소수의 갈등을 야기한다. 그것들은 태양으로부터 에너지를 생산하는 양성자입니다. 태양이 약 45억년 전이었기 때문에, 대부분의 양성자들은 아직 핵융합 반응에 참여하지 않았다.