핵반응의 종류, Q 값, 입사입자의 감쇠, 평균자유행로

원자핵에 다른 입자를 충돌시켜 원자핵의 에너지나 핵종을 바꾸는 반응을 핵반응이라고 합니다. 자연 방사성 원소가 발견된 후에도 얼마 동안은 인공적으로 원자핵을 바꾼다는 것은 불가능하다고 생각하였습니다. 그러나 러더퍼드가 인공적으로 핵변환을 일으킬 수 있다는 것을 발견한 후에는 핵변환의 연구가 진행되었습니다.

 

핵변환은 방사성 붕괴처럼 자발적으로 발생하는 경우가 있고, 다른 원자핵, 입자, 광자 등과의 상호작용으로 핵이 변화하는 유도 핵반응이 일어나는 경우가 있습니다. 핵반응의 결과로부터 핵의 구조를 알아낼 수 있으며, 우주의 진화에서 이들의 역할은 매우 중요합니다. 태양이나 다른 별들 속에서의 핵반응은 우주의 모든 에너지의 근원이 됩니다. 또 한 핵반응에 의해서 얻어진 생성 핵은 대부분 인공방사성 원소로서 방사선을 방출하므로 방사선 연구를 위해서는 핵반응을 이해해야 합니다. 이 글에서는 핵반응의 종류, Q 값, 평균자유행로에 대해 알아보겠습니다.

 

핵반응의 종류, Q 값, 입사입자의 감쇠, 평균자유행로

 

핵반응의 종류

 

 

두 물체 중에서 적어도 한 쪽이 운동하고 있을 때 유효범위에 접근하여 짧은 시간 동안에 강한 힘을 가하는 현상을 충돌이라 합니다. 충돌 전후의 운동량과 운동에너지가 보존되는 경우를 탄성충돌, 충돌 전후의 운동량은 보존되지만, 운동에너지가 보존되지 않는 경우를 비탄성충돌이라 합니다. 비탄성충돌에서는 운동에너지 일부가 핵의 내부에너지로 변환되어 에너지의 변화가 일어나게 됩니다.

 

양자역학적 입자의 충돌에서는 산란이나 흡수 현상이 일어나게 됩니다. 산란은 충돌 전후의 입자 종류나 수가 변하지 않는 경우로서, 입사입자의 운동에너지가 보존되는 탄성산란과 입자의 운동에너지가 보존되지 않는 비탄성산란이 있습니다.

 

흡수는 충돌 전후의 입자 종류나 수가 변하는 경우를 의미합니다. 다양한 현상이 일어나지만, 충돌 전후에 원자번호, 질량수, 총에너지, 선운동량 등은 보존됩니다. 단 비탄성산란에서는 운동에너지가 보존되지 않습니다.

 

핵반응의 중간 과정으로서 입사입자를 흡수해서 들뜬 상태로 되어 있는 원자핵을 복합핵이라 합니다. 예를 들면 리튬과 수소의 반응 과정에서 일시적으로 존재하는 베릴륨을 복합핵이라 합니다. 입사입자가 가지고 들어간 에너지를 핵자 간에 분배하는 데 필요한 시간보다 깁니다. 그러므로 핵반응을 세 단계로 구분할 수 있습니다. 첫 단계는 표적 핵에 입자가 입사합니다. 두 번째 단계는 입사한 단계는 입자의 운동에너지가 원자핵 내의 핵자 간에 분배되어 복합핵이 생깁니다. 세 번째 단계로 복합핵이 핵반응의 생성물로 분열됩니다.

 

 

Q 값

 

 

핵반응에서도 보통의 화학반응과 마찬가지로 에너지의 흡수 또는 방출이 수반됩니다. 이 핵반응의 에너지는 Q로 표시하며, 반응에너지 또는 반응의 Q 값이라고 합니다. 원자핵반응에서는 상당히 큰 에너지의 출입이 일어납니다. 그러므로 Q 값은 원자핵 1개가 핵반응을 일으킬 때의 에너지 변화량으로 나타냅니다. 다시 말하면, Q 값은 반응 전후의 정지에너지의 차가 됩니다.

 

반응 전후의 정지에너지의 차가 0보다 크면 반응 후의 생성물의 운동에너지가 반응 전의 반응물의 운동에너지보다 크게 되어 발열반응이 일어나고, 0보다 작으면 반응이 일어나도록 외부에서 에너지를 공급해 주는 흡열반응이 생깁니다. 음의 Q 값을 가지게 되는 반응에서는 입사입자의 운동에너지가 충분히 커야만 반응이 일어날 수 있습니다.

 

입사입자의 운동에너지가 모두 핵반응에 이용되는 것은 아니고, 운동량보존을 위해서 약간의 에너지를 다른 방출입자의 운동에너지로 전달되어야만 합니다. 그러므로 반응을 일으키기 위한 입사입자의 최소 에너지인 문턱에너지는 반응에너지 Q보다 큽니다. 또한 원자핵분열 또는 핵융합에서 생긴 에너지를 원자력, 원자에너지, 또는 핵에너지라 합니다.

 

입자선이 표적 물질에 입사되면 일부는 표적과 상호작용을 하고 나머지는 그대로 통과합니다. 따라서 물질을 통과하면서 입자 수가 계속해서 줄어듭니다. 즉, 입자선의 강도가 감소합니다. 또한 입자선의, 표적 내에서의 이동 거리당 입자선의 강도는 단위부피당 표적 핵의 수와 표적 핵의 단면적에 비례합니다. 또한 표적 핵에 충돌된 각각의 입사 입자들이 한다고 가정한다면 물질의 단위 거리를 통과하면서 단위 강도만큼의 강도가 감소한다고 생각할 수 있습니다.

 

따라서 두께가 두꺼울수록 입자선의 강도가 감소하므로 공식에서는 마이너스 부호를 사용합니다. 초기 입사방사선과 물체를 통과한 후 방사선의 강도 비율은 물체의 두께에 반비례합니다.

 

 

평균자유행로

 

 

한 개의 입사입자가 물질 내의 원자와 한 번 충돌한 후 다른 원자와 충돌할 때까지는 일정한 속도를 가지고 움직입니다. 충돌을 계속하여 다음 충돌까지의 진행한 평균 거리를 '평균자유행로'라고 합니다.

 

만일 물질의 원자가 material point, 즉, 크기를 무시하고 질량만을 고려하는 입자라면 평균자유행로는 무한대가 되지만 원자는 크기를 가지므로 충돌이 생깁니다. 또한 원자 수가 너무 많아서 그들이 자유롭게 운동할 공간을 꽉 채우고 병진운동을 할 수 없게 된다면 평균자유행로는 0이 될 것입니다.

 

병진운동이란 동일 선상에 있는 두 분자가 평형을 이룬 상태로 원래 위치와 평행하게 이동하는 것을 의미합니다. 평균자유행로는 원자가 충돌한 단면적의 크기와 단위부피당 원자 수에 반비례하고 반가 층의 크기의 1.4배가 됩니다. 또한 평균자유행로는 표적 물질의 선 감쇠계수의 역수와 같습니다.