핵은 대단히 무서운 물질이지만 잘 활용하면 매우 유익하다. 특히 부

핵 화 학

11 ^{핵 화 학} 11

11.1 자연 방사능 11.2 핵 반응식

반감기와 방사성 위원 연대측정 11.3 반감기와 방사성 동위원소 연대측정 11.4 인공변환

11 5 방사성 동위원소의 이용 11.8 핵폭탄 11.5 방사성 동위원소의 이용

11.6 방사선의 투과력 11 7 핵에너지

11.9 핵에너지의 이용

11.7 핵에너지

핵은 대단히 무서운 물질이지만 잘 활용하면 매우 유익하다. 특히 부

산지역은 원자력 발전소 (고리원자력 발전소)가 위치하여 학생들의

산지역은 원자력 발전소 (고리원자력 발전소)가 위치하여 학생들의

취업 가능성이 높다. 핵에 대한 원리를 공부한다. 핵은 활용도에 비하

여 인식이 좋지 못하다.

물질의 본질

핵기술

- 원자핵의 크기 : 원자 지름의 1/10,0000배

- 긍정적인 측면 : 의학적 진단, 암의 치료, 고고학적인 연대 측정, 화재 예방 등에 사용

- 부정적인 측면 : 핵 관련 사고(ex 3마일섬 체르노빌 사고) 핵폐기물 처리문제부정적인 측면 : 핵 관련 사고(ex. 3마일섬, 체르노빌 사고), 핵폐기물 처리문제, 핵무기 확산에 의한 지구 위기

11.1 자연 방사능 11.1 자연 방사능

방사성 동위원소 : 방사성 붕괴를 하는 핵

핵의 붕괴는 다양한 형태로 막대한 에너지를 방출한다 배경방사선

배경방사선 : 항상 존재하는 방사선

태양과 우주 밖에서 날아오는 우주선(cosmic ray)에 피폭

핵의 붕괴는 다양한 형태로 막대한 에너지를 방출한다.

- 태양과 우주 밖에서 날아오는 우주선(cosmic ray)에 피폭

- 공기, 물, 흙, 돌 등에 있는 자연적인 동위원소로부터 날아오는 방사선 전리방사선 : 원자나 분자로부터 전자를 떼어내어 이온으로 만드는 방사선

(ex. 핵방사선, X-선)

방사선이 세포에 미치는 피해 전리방사선이 미치는 피해

- 분자를 자유라디칼로 분해하여 생명을 유지시키는 세포과정을 붕괴 - 생식 세포의 유전에 관여하는 DNA에 변화를 일으킬 수 있음

배경방사선이 미치는 피해 화학적 변화는 전자운동의 변화를 수반한다. 방 사선 에너지는 이 변화를 일으키기에 충분하다 - 돌연변이를 일으킬 수 있음 사선 에너지는 이 변화를 일으키기에 충분하다.

그림 11.1 전리방사선 노출의 대부분은 자연적인 원인에서 옴(파란색). 약 18%의 노출이 인간활동에서 온다(다른색)

방사선은 투과력이 좋으므로 보호장비를 만들

휴대폰, 전자레인지, 고압선

- 자외선 : 악성종양, 즉 피부암과 밀접한 관련이 있음 - 마이크로파 : 열에 의한 화상을 입힐 수 있지만

적은 양이 사람 건강에 해를 끼친다는 증거는 없음 - 2011년 세계보건기구(WHO)는

휴대폰은 많이 사용하면 (10년간 매일 30분씩 통화) 휴대폰은 많이 사용하면 (10년간 매일 30분씩 통화)

뇌암의 일종인 신경교종의 위험이 높아질 가능성이 있다고 분류하였음

빛의 에너지는 진동수에 비 례, 파장에 반비례한다.

그림 뇌 스캔은 귀에 댄 휴대폰이 켜졌을 때와 커졌을 때 약간의 차이를 보여준다 그림 뇌 스캔은 귀에 댄 휴대폰이 켜졌을 때와 커졌을 때 약간의 차이를 보여준다.

11.2 핵 반응식

핵반응식의 균형

: 핵자(양성자와 중성자)의 수를 맞춤

1) 알파 붕괴( l h d ) 2) 베타 붕과(b t d ) ex.1) 알파 붕괴(alpha decay) ex.2) 베타 붕과(beta decay)

라돈-222의 알파(α)입자의 핵 방출 수소-3의 베타(β)입자의 핵 방출

그림 11.2 (a) 알파입자의 핵 방출 (b) 베타입자의 핵 방출

핵반응식도 화학반응식과 유사하다.

반응에서 질량수 합는 불변이다.

ex.3) 감마 붕괴(gamma decay)

감마선은 전하나 질량이 없다는 것이 알파 붕괴나 베타 붕괴와 다름 - 감마선은 전하나 질량이 없다는 것이 알파 붕괴나 베타 붕괴와 다름

- 방출하는 원자의 핵자 수나 원자번호는 변하지 않고 핵의 에너지만이 줄어듦

핵 붕괴 시에 원자번호와 질량수의 변화가 일어날 수 있다 원자번호가 변하 핵 붕괴 시에 원자번호와 질량수의 변화가 일어날 수 있다. 원자번호가 변하 면 다른 원소가 된다. 원자번호는 같지만 질량수가 다르면 동위 원소이다.

감마선은 에너지 방출이므로 원자번호와 질량수는 불변이다. 감마선은 파장 이 매우 짧은 전자파이므로 대단히 위험하다 이 외에도 양전자(positron) 방 이 매우 짧은 전자파이므로 대단히 위험하다. 이 외에도 양전자(positron) 방 출과 전자포획(electron capture)도 핵의 변화를 가져온다.

ex.4) 양전자(positron, β⁺) 방출 불소 18의 양전자 방출 불소-18의 양전자 방출

O e

F

18

9

 



ex.5) 전자 포획(electron capture, EC) 요오드-125의 전자포획에 의한 붕괴

Te e

I

125

53



 

53

그림 11.3 핵 변화는 양전자의 방출과 전자 포획을 수반한다

내부 전자가 획에 의하여 포획된다.

예제 11.1 핵반응 균형 맞추기

다음 과정의 핵반응의 균형을 맞추어라. 각 경우에 어떤 새로운 원소가 생겼는지 써라.

(a) 플루토늄-239가 붕괴할 때 알파입자를 방출 (b) 프로트악티늄-234가 베타붕괴를 함 (c) 탄소-11이 붕괴할 때 양전자를 방출 (d) 탄소-11이 전자를 포획

풀 이 풀 이

a. 플루토늄-239의 기호와 생성물의 하나인 알파입자를 보여주는 부분적인 핵반응식을 먼저 쓴다.

질량과 전하의 보존에 의해 새 원소의 질량은 239 4 235 전하는 94 2 92 따라서 Z 92인 우라늄임

4

?

2 239

94

Pu   He 

질량과 전하의 보존에 의해 새 원소의 질량은 239-4 = 235, 전하는 94-2 = 92, 따라서 Z=92인 우라늄임

b. 프로트악티늄-234와 생성물의 하나인 베타입자를 보여주는 부분적인 핵반응식을 먼저 쓴다.

U He

Pu

239

94

  

0 234

새 원소의 핵자 수는 234, 핵 전하는 92 (Z=92 , U)

탄소 11의 기호와 생성물의 하나인 양전자인 부분적인 핵반응식을 먼저 쓴다

0

?

1 234

91

Pa  

e 

U e

Pa

234

91

 



c. 탄소-11의 기호와 생성물의 하나인 양전자인 부분적인 핵반응식을 먼저 쓴다.

새 원소의 질량수는 11, 핵 전하는 5 (Z=5 , B)

0

?

1 11

6

C  

e 

B e

C

11

6

 



d. 탄소-11의 기호를 쓰고 탄소-11이 전자를 포획하는 부분적인 핵반응식을 먼저 쓴다.

0

?

1 11

6

C 

e  

생성물의 질량수는 11, 핵 전하는 5 (Z=5 , B) ¹¹₆

C 

e  

B

11.3 반감기와 방사성동위원소 연대 측정

반감기 : 처음 원소의 ½이 붕괴하여 새로운 원소를

형성하는 필요한 시간으로 1차 속도식으로 주어진다.

주어진 수만큼의 반감기가 지난 후에 남아 있는 초기 동위원소의 분율

남아 있는 분율 = (n : 반감기의 수)

2

1

예제 11.2 반감기

반감기가 5.271년인 코발트-60을 4.00mg을 얻었다. 15.813년(3번의 반감기) 후

그림 11.4 요오드-131의 방사 성 붕괴 (반감기=8일)

반감기가 5.271년인 코발트 60을 4.00mg을 얻었다. 15.813년(3번의 반감기) 후 에 남아 있는 코발트-60의 양은 얼마인가?

풀 이 풀 이

8 1 2

1 2

1

3



n



따라서 남아 있는 코발트-60의 양은

1 4 . 00 mg 0 . 50 mg

8

1  

예제 11.3 반감기

모든 방사성동위원소가 붕괴할 때까지 얼마나 오래 걸릴지 알 수 없다. 대부분의 동위원소에 대하여 열 번의 반감기가 지나면 활동도가 거의 0이 된다고 간주한다 반감기가 20분인 수은 190 0 0260mg이 열 번의 반감기 된다고 간주한다. 반감기가 20분인 수은-190 0.0260mg이 열 번의 반감기 뒤에 남는 질량을 구하라.

풀 이

열 번의 반감기 뒤에 남는 분율을 구하면

10

1 1 1 1

2

 2  2 2 2 2 2 2 2 2 2 2  1, 024

        

따라서 남은 수은 190의 양은

,

1  0 0260 mg  0 000025 mg

따라서 남은 수은 – 190의 양은

0.0260 0.000025

1, 024  mg  mg

방사성 동위원소 연대측정

연대측정의 정확성을 위하여 적당한 시간의 반감기를 가진 원 가 필 하다

탄소-14 연대측정

- 식물이나 동물에서 유래된 가공품의 연대측정에 사용 중성자와 질소의 충돌에 의해 생성

반감기를 가진 원소가 필요하다.

- 중성자와 질소의 충돌에 의해 생성

H

C n

N

14

7

   

- 반감기 = 5730년

(ex. 탄소-14의 활동도가 살아 있는 식물의 25%인 유물 ⇒ 11,460년(5730년×2)) - 50 000년 정도까지는 상당히 정확

- 50,000년 정도까지는 상당히 정확

튜린의 수의

- 탄소-14로 측정 결과 AD 1260~1390년 사이 ⇒ 예수시대에 존재 가능성 없음 삼중수소 연대측정법

삼중수소 연대측정법

- 반감기=12.26년 - 100년 이내의 연대측정에 유용 - 브랜디의 숙성기간 검사에 사용

예제 11.4 방사성 동위원소 연대측정

오래된 나무 연장의 탄소-14 활동도가 새 나무의 1/8이다. 이 연장은 얼마나 오래된 것인가? (탄소-14의 반감기는 5 730년이다 )

오래된 것인가? (탄소-14의 반감기는 5,730년이다.) 풀 이

남아 있는 분율 = 1/(2ⁿ) 이므로 3번의 반감기를 지났다.

따라서 나무의 나이는 3 × 5,730 = 17,190년

11.4 인공변환

한 원소를 다른 원소로 변환시키는 방법 리스 연금술사의 꿈 한 원소를 다른 원소로 변환시키는 방법 : 그리스 연금술사의 꿈

: 화학적 방법에 의해 실행될 수 없고 핵 과정에 의해 실행

⇒ 에너지가 충분한 입자를 안정한 핵에 충돌시켜 변환시킬 수 있다. (인공변환)

ex) 질소와 알파입자를 충돌시켜 양성자 생성

(1914년 러더퍼드가 가정하였던 원자핵 안의 양성자의 존재를 처음으로 증명한 실험)

O

17 4

14

(수소 원자핵은 양성자임. 따라서 양성자의 기호는 로 쓴다.)

H

O He

N

14

7

   

1

H

1

그림러더퍼드는 처음 으로 핵 충돌 실험을 수행.

원소104(Rf)가 그를

예제 11.5 인공변환 식

칼륨-39가 중성자에 의해 충돌되면 염소-36이 생성된다. 방출되는 다른 입자는?

기념하여 러더퍼듐이 라고 명명됨

풀 이

균형 핵 반응식 :

36

?

17 1

0 39

19

K  n   Cl 

균형 핵 반응식 : ₁₉³⁹

K 

n  

Cl 

He

11.5 방사성 동위원소의 이용

산업과 농업에서 쓰이는 방사선 동위원소

- 다양한 분야의 과학자들이 방사성 동위원소를 물리 화학 생물계의 추적물질(t )로 사용함 물리, 화학, 생물계의 추적물질(tracer)로 사용함

• 땅속 파이프의 누수를 탐지

• 생산 중에 금속판의 두께를 측정

• 피스톤 링의 마찰에 의한 마모를 결정

• 식물에서 인의 흡수와 분포를 결정 ^그림 녹색식물에 의한 인 흡수를 인-32를 포함한 화합물을 비료에 첨가하여 추적할 수 있다.

- 농업기술로의 유전자 조작에 이용

- 식품을 보존하는 방법으로 식품에 방사선을 쪼이는데 사용

그림 11.5 감마선은 딸기가 부패하는 것을 지연시킨다.

오른쪽 딸기는 방사선이 쪼여진 것이고 왼쪽 딸기는 그렇지 않은 것이다.

방사선은 에너지가 높고 투과력이 좋으므로 관측 이 매우 쉽다 따라서 다양한 용도로 사용한다 이 매우 쉽다. 따라서 다양한 용도로 사용한다.

의학에서 쓰이는 방사선 동위원소

:

.

- 목적 : 건강한 조직에 손상이 많이 가기 전에 암세포를 파괴하는 것목적 : 건강한 조직에 손상이 많이 가기 전에 암세포를 파괴하는 것 - 방사선 치료는 백혈구의 보충을 방해하고 감염을 증가시킴

- 방사성 동위원소 : 질병의 종류와 정도에 관한 정도를 제공하는 진단 목적으로 사용됨

그림 방사성동위원소와 방사성동위 원소가 방출하는 알파, 베타, 감마 또 는 양전자선의 차이는 중요하며 종종 그 의미가 혼돈된다 요오드-131 또는 그 의미가 혼돈된다. 요오드-131 또는 라돈-222 같은 방사성동위원소가 몸 에 흡수되면 방사성동위원소가 붕괴 되면서 방사선이 방출되기 때문에 인 체에 큰 피해를 준다.

적당한 반감기가 필요하다.

- 테크네튬-99m을 이용한 다양한 진단 ^99m

Tc  

Tc  

* 방출하는 에너지는 감마선 형태임

* 반감기 = 6시간

43

Tc 

Tc  

* 실제 의학실험실에서는 몰리브덴-99의 붕괴로부터 테크네튬-99m을 얻음

99 99 0

42 43 1

Mo  

Tc  e  

42

o 

c

e 

그림 11.6 테크네튬-99m을 이용한 감마선 영상.

(a) 건강한 심장을 방향성 있게 절단한 것

양전자 방출 단층 촬영법(positron emission tomography, PET) - 혈액의 흐름이나 산소 또는 글루코오스가 대사되는 속도 같은액의 이나 루 가 대사되 속

몸 안의 동적 과정을 측정함

- PET 검사는 심각한 간질 발작을 일으키게 하는 뇌 손상 지역을 정확히 찾아낼 수 있음

수 있음

- 탄소-11이나 산소-15 같은 양전자 방출을 하는 동위원소를 포함하는 화합물을

11 11 0

6

C  

B 

e

검사 전에 호흡 또는 주사로 맞음

- 방출된 양전자가 전자와 만나 2개의 감마선을 만들어 냄 - 감지기가 감마선을 기록함

0 0

1

e

e 2 





 

감지기가 감마선을 기록함 암세포는 정상세포에 비하 여 식욕이 왕성하여 당의 소 화량으로 진단하는 방법이 다. 암을 찾는 좋은 방법이

그림 11.7 의학 진단에 사용되는 현대 컴퓨터 기술

(a) 환자가 양전자 방출 단층 촬영법(PET) 검사를 받고 있는 모습

다. 화합물은 방사선 방출이 가능한 원소를 포함한다.

(a) 환자가 양전자 방출 단층 촬영법(PET) 검사를 받고 있는 모습 (b) PET 검사에 의하여 만들어진 영상

예제 11.6 양전자 방출 식

PET 검사에 사용되는 동위원소의 하나는 양전자를 방출하는 산소-15이다 PET 검사에 사용되는 동위원소의 하나는 양전자를 방출하는 산소 15이다.

산소-15 붕괴로 얻어지는 새 원소는 무엇인가?

풀 이 풀 이

핵 반응식을 쓰면, 핵자 수 A는 15, 원자번호 Z는 8-1=7임¹⁵₈

O  

e  ?

O  

e 

N

11.6 방사선의 투과력

살아 있는 유기체에 손상을 입히는 능력은 방사선의 투과력에서 옴 - 입자의 질량이 클수록 투과력이 약함

- 입자가 빨리 움직일수록 또는 방사선의 에너지가 클수록 강한 투과력을 가짐입자가 빨리 움직일수록 또는 방사선의 에너지가 클수록 강한 투과력을 가짐 방사능 물질이 몸 밖에 존재하면

- 알파(α)입자 : 낮은 투과력을 가지므로 최소의 위험도를 가짐, 피부의 표피에 의해 막아짐 - 베타(β)입자 : 생명유지에 필수적인 기관에

도달하기 전에 막아짐 - 감마(γ)입자 : 조직을 잘 뚫고 지나감,

대단히 위험 방사능 물질이 몸 안에 존재하면

⇒ 상황은 반전됨

그림 11.8 알파, 베타, 감마 방사선의 상대적 인 투과력

예제 11.7 방사선 위험

대부분의 현대식 화재 감지기는 적은 양의 아메리슘 241을 갖고 있다 대부분의 현대식 화재 감지기는 적은 양의 아메리슘-241을 갖고 있다.

아메리슘-241은 고체 원소로서 알파입자를 방출한다. 아메리슘은 얇은 알루미늄 보호막이 되어 있는 방 안에 있고 화재경보기는 대개 천정에 설치된다.

화재경보기를 사용할 대 방사선 위험을 ( ) 높음 (b) 중간 ( ) 매우 낮음 중 화재경보기를 사용할 대 방사선 위험을 (a) 높음, (b) 중간, (c) 매우 낮음 중 한 가지로 평가하고 그 이유를 설명하라.

풀 이

알파입자는 매우 낮은 투과력을 가지고 있어서 종이 한 장이나 피부의 표피에 의해 막아진다 얇은 금속도 알파입자를 흡수하기에 충분하기 때문에 방출된 의해 막아진다. 얇은 금속도 알파입자를 흡수하기에 충분하기 때문에 방출된 알파입자는 방을 떠날 수 없다. 알파입자가 방 밖으로 나온다 하더라도 멀리 못가서 여러분의 머리카락의 죽은 세포에 의해 멈추어지거나 공기에 의해 막아진다.

그러므로 방사선 위험은 (c) 매우 낮음으로 평가할 수 있다.

11.7 핵 에너지

핵화학의 더 극적이고 역설적인 측면 : 분열이나 융합에 의한 핵 에너지의 방출

아인슈타인과 질량과 에너지의 등가성 질량-에너지 식

E = mc²

m = 질량, c = 빛의 속도

- 작은 질량도 엄청난 에너지로 변할 수 있다는 것을 암시 (ex. 1g의 물질을 완전히 에너지로 전환하면

아인슈타인(1879-1955).

원소 99(Es)는 그를 기념하여 아인슈타이늄이라고 명명됨

100W 전구를 2,800만년 동안 켤 수 있음)

우주에 비하면 인류는 정말로 보잘 것 없는 존재이다 그러나 상상력 만큼은 우주에 비하면 인류는 정말로 보잘 것 없는 존재이다. 그러나 상상력 만큼은 끝이 없다. 인류 역사의 끝은 어디일까? 우주 대폭발(Big Bang) 이전에는 무 엇으로 구성되었을까? 물론 물질은 존재하지 않았다. 에너지가 물질로 전환 되었다 물질을 에너지로 전환하는 식이 다

되었다. 물질을 에너지로 전환하는 식이 다.

결합에너지

결합에너지(binding energy) : 핵자들을 핵 안에 결합시키는 에너지 ex) 의 결합에너지 ?₂⁴

He

입자질량 = 2개 양성자 + 2개 중성자

= 2×1.0073u + 2×1.0087u = 4.0320u 헬 원자핵의 실제 질량

헬륨 원자핵의 실제 질량 = 4.0015u

질량 손실 = 4.0320u – 4.0015u = 0.0305u

그림 11 9 ⁴He안의 핵 결합에너지

결합에너지

J MeV MeV

개

mol kg

m l

g 28 . 4

10 6022 1

1 10

02 6

1 10

) 10 3 ( 0305

. 0

13 23

3 2

2 2

8

   

 



그림 11.9 ₂He안의 핵 결합에너지

핵 자당 결합에너지

개

J g

s

mol

10

6 . 02  10

1 . 6022  10

핵 자당 결합에너지

핵자 MeV MeV 7 . 1

4 4 .

28 



그림11.10 핵 안정도는 주기율표 의 철 근처에서 가장 크다. 매우 큰 원자의 분열이나 매우 작은 원자의 융합은 더 큰 핵 안정도

그림 11.10 핵 안정도는 주기율표의 철 근처에서 가장 크다. 매우 큰 원자의 분열이나 매우 작은 원자의 융합은 더 큰 핵 안정도를 초래한다.

원자폭탄 원자폭탄 수소폭탄

핵의 안정도를 나타내는 표

우주가 무한 시간이 흘러가면 모든 원소는 철로 변환될 것이다. 지금은 90%가 수소이며, 헬륨이 약9%, 나머지 원소가 1% 이다. 아직도 태양계 뿐 만 아니라 우주도 활동이 왕성하다

만 아니라 우주도 활동이 왕성하다.

핵분열

1934년 이탈리아의 과학자 페르미(E i F i)와 세그레(E ili S )는 1934년 이탈리아의 과학자 페르미(Enrico Fermi)와 세그레(Emilio Segre)는 우라늄 원자와 중성자를 충돌

⇒ 생성물에서 4가지의 방사성 물질을 발견

⇒ 그 중 하나는 93번 원소임

⇒ 나머지 방사성 물질에 대하여는 설명할 수 없었음

원자력 발전에서 U가 Np로 전환된다.

독일 화학자 한 슈트라스만

U n

U

238

92

  

U  

e 

Np

독일 화학자 한, 슈트라스만, 오스트리아 화학자 마이트너

: 우라늄 원자와 중성자 충돌로 생성된 생성물이 우라늄

원자핵이 쪼개져 생긴 것이라 확신함

것이라 확신함

⇒ 핵분열(nuclear fission)

11.11

11.11 우라늄 원자가 분열을 할 수 있는 한 가지 가능한 방법

핵연쇄반응

- 실라드(Leo Szilard, 1898~1964)는 한 원자의 분열에서 방출된 중성자가 다른 우라늄 원자의 분열을 유발하여 다른 우라늄 원자의 분열을 유발하여 연쇄반응을 일으킬 수 있음을 알았음

⇒ 분열과정을 이용해 엄청난 폭발력을 가진 폭탄을 만들 수 있음

가진 폭탄을 만들 수 있음 열핵반응

- 반응을 시작하기 위해서

매우 높은 온도(수백만도)가 필요한 반응

그림 11 12 핵연쇄반응의 개요도

- 태양에서 주로 일어나는 반응 ⇒ 융합반응 ^그림 11.12 핵연쇄반응의 개요도

e He

H

1

1

2

4   

; 수소 1g이 융합되면 거의 20톤의 석탄을 태우는 것과 같은 양의 에너지가 방출됨.

태양은 매초 6억톤의 수소를 반응시켜 에너지를 방출한다.

루스벨트 대통령이 원자 에너지를 연구하기 위해 극비리에 프로젝트를 시작

11.8 핵폭탄

- 루스벨트 대통령이 원자 에너지를 연구하기 위해 극비리에 프로젝트를 시작 - 1939년 시작된 맨해튼 프로젝트의 4가지 방법

* 핵분열 연쇄반응을 유지하는 방법

* 분열성 동위원소 23²³⁵U를 90% 정도까지 농축하는 방법

* 다른 분열성 동위원소인 플루토늄-239를 만드는 방법

* 핵분열에 기초한 폭탄을 만드는 방법 지속 가능한 연쇄반응

분열반응을 유지시키기 위한 우라늄 235의 임계질량 16kg(²³⁵U 94% 농축) - 분열반응을 유지시키기 위한 우라늄-235의 임계질량 = 16kg(²³⁵U 94% 농축) 동위원소 농축

- 자연우라늄 : 우라늄-238 (분열하지 않음) = 99.27%, 우라늄-235 (분열성 동위원소) = 0.72%

- 폭탄을 만들기 위해서는 우라늄-235가 약 90% 까지 농축되어야 함

⇒ 분리방법은 우라늄을 증발시킬 수 있는 UF₆(기체상태)로 전환시킨 후 가벼운 분자인 ²³⁵U을 얻음

가벼운 분자인 U을 얻음

플루토늄의 합성

- 우라늄-238을 중성자에 충돌했을 때 생성된 넵투늄(Np)이 다시 붕괴하여 플루토늄(Pu)을 생성함

e Pu

Np Np

e U

U n

U

238

92

    

   

폭탄의 제조

- 두 가지 모형 : ²³⁵U 이용 (히로시마), ²³⁹Pu (나가사키)이용

- 폭탄은 임계질량 이하로 많은 수의 분열성 물질을 갖도록 했고 분열반응을 시작하도록 중성자원을 추가

정해진 시간에 보통의 폭발물을 폭발시켜 모든 조각들이 하나가 되게 하여 핵 연쇄반응을 유발함

그림 11.13 히로시마에 투하된 우라늄 폭탄 ‘Little Boy’의 단면도.

방사성 낙진

방사성 낙진(radioactive fallout) 방사성 낙진(radioactive fallout)

: 핵폭발이 대기 중에서 일어나면 며칠이나 몇 주가 지난 후에는 방사성 물질이 수천 마일 떨어진 곳에 비처럼 떨어짐

우라늄 원자의 몇 가지 분열과정

그림 9 년 8 그림 11.14 1945년 8 월 9일. ‘Fat Man’

을 나가사키에서 터뜨린 뒤 생긴 버 섯구름

섯구름

- 스트론튬-90 : 유제품이나 채소를 통해 인간에게 위험, 반감기=28.5년

- 요오드-131 : 먹이사슬에 의해 갑상선에 농축, 반감기=8일 (빨리 없어진다), ( )

11.9 핵에너지의 이용 핵 발전소

핵 발전소

- 오늘날 전력의 상당 부분이 핵발전소에서 생산됨

(미국 = 전력의 1/5을 생산 프랑스 = 전력의 70%를 핵발전소에서 얻음) (미국 = 전력의 1/5을 생산, 프랑스 = 전력의 70%를 핵발전소에서 얻음) - 핵발전소가 핵폭탄과 다른점

: 핵연쇄반응으로부터 에너지의 방출이 느리고 통제되고 있다는 점 - 핵발전소의 문제점 : 핵반응 생성물

그림 핵 반응로의 중심에는 작은 우라늄 덩어리 그림 핵 반응로의 중심에는 작은 우라늄 덩어리 로 채원진 봉이 있다. 분열할 때 생기는 열을 이용 하여 물을 끓인 뒤 보통의 화력 발전처럼 터빈을 돌려 전기를 얻는다. 우라늄 덩어리는 3% 우라늄 -235이므로 핵폭발은 일어나지 않지만 냉각수가 없어지면 원자로가 녹아내릴 수 있다.

없어지면 원자로가 녹아내릴 수 있다.

한국은 에너지 자원의 부족으로 인하여 핵 의존성이 높다 전력의 인하여 핵 의존성이 높다. 전력의 약30%가 원자력 발전에서 얻어 진다.

핵시대

11장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다

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