문항 4

(나) 원자 및 분자

(다) 별

[그림 3]

논제 3. [그림 1]을 근거로 별에서의 핵융합 반응은 철 원자핵의 생성까지만 진행되는 이유를 논하고, 이와 관련하여 인류가 핵에너지를 이용할 수 있는 두 가지 원리를 설명하시오.

출제의도 및 문항설명

➲ 논제 1-1

<학생 답안 1>

제시문은 원자, 분자의 에너지가 연속적인 값이 아니라 불연속적인 특정한 값을 가지고 있으며, 그 값은 분자 또는 원자마다 독특하다고 말하고 있다. 여기에서 에너지의 흡수 또는 방출에서도 특정한 값만이 가능하며 이 또한 원자나 분자마다 독특하다는 사실을 도출하고, 에너지의 흡수를 나타내는 그래프에서 성간물질의 구성 성분을 알아내고 있다. O-H기의 흡수에너지는 주어진 식을 통하여 쉽게 확인되므로, 그래프에서 해당하는 흡수봉우리를 찾아낼 수 있다.

<학생 답안 2>

그래프의 의미를 반대로 이해하여 흡수세기가 높은 사실을 흡수가 잘 되지 않은 것 으로 해석하고 물 분자가 존재하지 않는다는 잘못된 결론을 도출하였다.

<학생 답안 3>

성간구름이 흡수하였다가 다시 방출한 별빛의 에너지가 지구에 도달한다는 잘못된 개념을 가진 답안이다. 다시 방출되는 별빛은 모든 방향으로 퍼지므로 지구방향으로 도착하는 별빛의 에너지는 다른 파장의 빛과 비교하여 상대적으로 줄어들게 된다.

➲ 논제 1-2

<학생 답안 1>

적외선 영역의 에너지는 분자의 진동에너지에 해당한다는 사실과 별의 온도와 성간 구름의 온도에 해당하는 열에너지를 제시문에서 파악하고, 분자의 존재 유무가 적외선 흡광 봉우리의 존재 유무를 결정한다는 사실을 도출하여 좋은 평가를 받았다.

<학생 답안 2>

거리보다 훨씬 크기 때문에 고전물리적인 방법으로는 핵융합이 일어날 수 없다는 사 실을 잘 설명하고 있으며, 논제에서 유효숫자 한자리로 근사하라고 요구한 점도 잘 따른 답안이다.

<학생 답안 2>

양성자의 운동에너지와 전기적 반발력을 등호로 연결하여 에너지와 힘이라는 전혀 다른 물리량을 동일시하는 잘못을 범하였다. 이 같은 경우는 제시문에 주어진 단위 들에 주의를 기울였다면 충분히 확인할 수 있는 것으로 자연과학에서 단위의 중요성을 말해주는 예라고 할 수 있다. 아래 답안과 같이 실제로 여러 학생들이 단위에 주의를 기울이지 않아 유사한 잘못을 범하였다.

q 논제 3

철보다 무거운 원자핵의 생성과정은 아직도 의문으로 남아 있다. 논제 3에서는 별 내부에서의 핵반응이 철 원자핵까지만 진행한다는 것을 원자핵의 성질로부터 정성적 으로 추론하도록 하였다. 또한 인류가 원자핵 에너지를 이용할 수 있는 두 가지 원리 (핵분열, 핵융합)를 통해 미래의 에너지 문제를 생각해 볼 수 있는 기회를 제공하였다.

<학생 답안 1>

제시문에 주어진 그래프와 태양에서 핵융합이 일어날 때 방출되는 에너지 값을 참고 하여, 핵반응에서는 반응 전후 원자핵들의 결합에너지의 차이에 해당하는 에너지가 방출되거나 흡수된다는 점을 도출할 수 있다. 아래 답안은 결합에너지를 중력에 의 한 위치에너지로 비유하여 결합에너지가 최대인 철이 가장 안정된 원자핵이라는 사 실을 정확하게 추론하였다. 같은 원리로 우라늄과 같은 무거운 원자핵은 분열을 통하 여 에너지를 방출할 수 있어 인류는 핵융합 또는 핵분열 과정에서 방출되는 에너지를 이용할 수 있다는 사실을 잘 설명하여 좋은 평가를 받았다.

<학생 답안 2>

이 답안은 제시문에서 주어진 결합에너지의 개념을 제대로 이해하지 못하고 있다. 철 보다 더 무거운 원자핵의 경우도 핵융합과정을 통하여 만들어 낼 수는 있지만, 에너 지를 필요로 하는 흡열반응이어서 자연적으로는 일어날 수 없다는 사실을 도출해 내지 못한 대표적인 예이다.