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태양: 하나의 핵 발전소

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(1)

태양: 하나의 핵 발전소

(2)

1

열 에너지와 중력 에너지

에너지 보존, 에너지원으로서의 중력 수축

3

태양 내부: 이론

기체의 태양, 안정한 태양, 식지 않는 태양, 별 내부에서의 열 전달, 모형 별 2

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

소립자들, 원자핵, 핵 인력과 전기적 반발력, 태양 내부에서의 핵반응들, P-P 연쇄반응

4

태양 내부: 관측

태양 진동, 태양 중성미자

contents

(3)

태양의 에너지원 - 2가지 가능성(19세기)

열 에너지

목재, 석탄, 휘발유 등의 연료가 연소할 때 방출하는 에너지 목재나 석탄은 태양 내부의 온도에서 존재 불가능

에너지 보존

: 에너지는 창조·파괴될 수 없지만, 한 형태에서 다른 형태로 변형 가능 운석이 태양에 떨어지면서 갖고 있던 운동에너지가 열에너지로 변형 가능성

- 100년에 1번씩 떨어지는 운석의 경우, 운석 질량이 지구 질량 정도가 되어야 가능 - 지구의 공전 주기는 이때 생긴 질량 증가로 매년 2초씩 증가해야 함

→ 태양 에너지원이 되지 못함

열 에너지와 중력 에너지

(4)

태양의 에너지원 - 2가지 가능성(19세기)

에너지원으로서 중력 수축

- 헤르만 헬름 홀츠(Hermann von Helmholtz)

& 켈빈(Lord Kelvin)

중력에너지를 열에너지로 전환

자신의 중력 때문에 태양의 외각 층은 안으로 가라앉음 즉, 태양은 크기가 계속 줄어들어 높은 온도와 밝기를 유지

- 태양은 매년 40m씩 수축

태양이 현재 크기까지 수축하는 동안 방출한 에너지=10^42 J(Joule)

태양의 광도는 4X10^26 Watts(J/s)이므로, 현재 태양 광도를 약 1억년 간 유지가능 20세기로 들어서면서 지구의 나이가 훨씬 더 많음이 밝혀짐

→ 태양의 중력수축도 태양 에너지의 주된 근원이 될 수 없음

열 에너지와 중력 에너지

(5)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

질량-에너지 등가원리(Albert Einstein)

E=mc2

- 질량도 에너지의 한 형태이며, 에너지로의 전환이 가능

- 에너지 전환이 성공적으로 이루어질 때, 질량으로부터 얻게 되는 에너지 양

(질량이 어떻게 에너지로 전환되는지는 설명하지 않음)

(6)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

소립자들

: 물질의 기본 성분(양성자, 중성자, 전자) + 반입자

- 입자와 반입자가 만나면 두 입자는 소멸되면서 모두 에너지로 전환 파울리(Wolfgang Pauli)

: 중성미자를 도입하여 핵융합 반응을 설명(1933년)

- 질량을 갖지 않으며 광속도로 진행

- 별이나 행성에 흡수되지 않고 완전히 통과

- 다른 물질과의 상호작용이 미약해서 1956년이 되어서야 검출

입자 질량[kg] 전하

양성자 1.67365 X 10-27 +1 중성자 1.67495 X 10-27 0

전자 9.11 X 10-31 -1

중성미자 0 0

기본 입자들의 성질

(7)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

원자핵

- 강한 핵력에 의해 입자들이 단결

- 별이 중력으로 수축되면 원자와 원자 사이의 거리가 가까워져 중력에너지 방출

- 입자들이 강한 핵력으로 뭉쳐 하나의 원자핵을 형성하면 핵에너지 방출(결합에너지) - 결합에너지가 가장 큰 철이 가장 안정한 원소

- 방출된 에너지 ← 질량의 결손

핵융합

: 가벼운 원자핵이 뭉쳐 보다 무거운 핵이 형성될 때 발생하는 질량 결손에 해당하는 에너지 방출

핵분열

: 무거운 핵이 깨져 가벼운 핵들이 생길 때 에너지 방출

(8)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

핵 인력과 전기적 반발력

- 같은 전하는 서로 전기력으로 반발하므로 반발력은 두 원자핵이 가까이 접근할수록 더 커짐

- 이들이 핵력의 영향권 이내로 접근하면 전기력보다 더 강한 인력을 받아 뭉침

- 양성자를 충분히 가속시킬 수 있는 엄청난 열이 있어야 전기력 극복 가능

- 온도가 107K 이상 되는 영역에서 두 개의 양성자 융합 가능(1000km/s)

- 15 X 107K의 태양 중심 부근에서 가능

- 태양 중심으로부터 15만 km(태양 전체 체적의 10% 이내) 내에서 태양 에너지의 대부분이 생성

(9)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

태양 내부에서의 핵반응들

: 2개의 수소 핵이 결합되어 1개의 중수소핵 형성

- 1개의 양전자,

1개의 중성미자 방출

: 1개의 중수소핵과

1개의 양성자가 만나 헬륨핵 형성 - 감마선 방출

: 2개의 3He 핵이 4He 형성

1H + 1H → 2H + e+ + ν

2H + 1H → 3H + γ

3He + 3He → 4He + 21H

1단계 2단계 3단계

(10)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

P-P 연쇄반응에서 발생한 에너지

- 1kg의 수소가 헬륨으로 전환되면 질량손실은 0.0071g (초기 질량의 0.71%)

- 지상에서 쓰는 전기와 화석 연료

- 총 소비량의 10배 이상 4 x 1.007825 u = 4.03130 u (초기 수소 원자의 질량) -4.00268 u (최종의 헬륨 질량) ---

0.02862 u (질량 손실)

E= mc2

= 0.0071 x (3x108)2

= 6.4 x 1014 J

- 태양 광도 4 x 1026 J/s 를 생산하기 위해서는 매 초 6억 톤의 수소가 헬륨으로 전환 ▶ 400만 톤의 질량결손 (에너지로 전환)

(11)

질량 에너지, 그리고 특수 상대성 이론

P-P 순환 반응

: 태양 정도의 온도를 가지면서 태양보다 작은 별

3단계에서 생성된 2개의 양성자가 다른 양성자와 1단계의 핵융합 재시작

CNO 순환 반응

: 태양보다 온도가 높은 별

: 탄소핵과 수소핵의 충돌로

질소핵과 산소핵 생성, 결국 헬륨핵 생성 (질소핵과 산소핵은 생성에 기여)

(12)

태양 내부 : 이론

기체의 태양

- 태양은 매우 고온이므로 내부 물질들은 모두 기체 상태

- 기체를 형성하는 입자들은 서로 충돌하며 매우 빠르게 운동 → 압력 - 입자수가 많을수록, 온도가 높을수록 압력 증가

안정한 태양

- 팽창하거나 수축하고 있지 않은 평형상태

- 별 내부 각 지점에서 온도, 압력, 밀도 등은 각각 일정한 값을 가짐

- 안으로 향하는 중력과 바깥으로 향하는 압력의 평형 정 유체 역학적 평형 - 중력 수축을 견뎌내려면 태양 중심 온도가 1500만 K로 유지되어야 함

(13)

태양 내부 : 이론

식지 않는 태양

열 : 고온 → 저온

에너지: 별 내부의 고온 영역 → 별 표면

- 별의 안쪽으로 들어갈수록 온도가 높아짐(중심에서 가장 고온) - 각 별의 에너지원은 그 내부에 존재

- 핵융합 반응을 통해 별의 내부에서 꾸준히 에너지 보충

별 내부에서의 열 전달

- 열 수송 방법

전도 원자나 분자들이 인접한 원자나 분자들과 충돌, 에너지 전달 대류 고온 물질의 상승으로 인해 저온 층으로 에너지 이동

복사 고온의 물체에서 방출된 광자가 다른 물체에 흡수되어 일부 또는 전 에너지 전달 별 내부에서 중요한 역할

(14)

태양 내부 : 이론

별 내부에서의 열 전달

고온의 기체가 상하로 이동

- 천천히 진행되어 정역학적 평형조건을 파괴하지 않음

- 효율적으로 에너지를 밖으로 이동

- 태양의 대류는 중심부와 표면 근방에서만 중요

- 별 내부 기체는 아주 불투명(광자의 평균자유거리 ~0.01m) - 별 내부에서 효율적인 에너지 전달 수단이 되지 못함

- 흡수된 에너지는 언제나 재 방출되지만, 그 방향은 임의의 모든 방향

- 별 중심에서 출발한 광자가 표면에 이르려면 긴 시간이 소요(수 백만년)

- 중성미자의 경우 빛의 속도로 진행(2초) * 각 입자들에 대한 불투명도가 다르다.

대류

복사

(15)

태양 내부 : 이론

모형별

태양 내부의 이론 모형

: 일련의 특정 가정을 바탕으로 세워진 구조 방정식의 해

(태양 내부 각 지점에서의 온도, 압력, 밀도와 그 밖의 다른 물리량)

· 태양 반경의 1/4

· 태양 질량의 1/3

· 핵융합반응

→ 에너지생성

· 온도 : ~1500만K

· 밀도 : 물의 150배

복사층

· 중심에서 70% 정도

대류층

(16)

태양 내부

태양 내의 온도, 밀도, 에너지 생산율, 그리고 수소의 백분율 함량(질량으 로)의 변화를 보여준다. 수평 눈금은 태양 반 경의 비율을 보여준다. 왼쪽 끝이 중심이고 오른쪽 끝이 광구.

태양 내부 : 이론

(17)

태양 내부 : 관측

최근에 사용되고 있는 태양 내부 검증 관측 형태

- 태양진동 : 태양 표면에서 관측되는 작은 영역의 미세한 운동 변화 분석 - 태양 중성미자 : 핵반응이 진행되는 동안 발생되는 중성미자 관측 분석

- 태양에서 팽창, 수축을 반복하는 진동 운동 발견 - 태양 표면의 시선속도 측정으로 검출 가능

- 태양 표면상에서 지름 4000-15000km 영역 진동 - 2.5분-11분 주기(대표주기: 5분)

- 태양 표면 운동은 태양 내부의 깊숙한 영역에서 발생되어 그 지점에 이른 파동 운동에 의해 나타난 결과

- 태양 내부 구조 결정에 활용

태양 진동

태양 진동의 컴퓨터 모의실험

멀어짐 가까워짐 일진학(태양 지진학)

(18)

태양 내부 : 이론

태양 지진학의 연구 결과

1. 흑점원리가 이해

흑점의 구조

태양 지진학을 통해서 우리가 흑점 아래 무엇이 있는지를 새롭게 이해하게 되었음; 검은 화살표는 물질이 움직이는 방향을 나타낸다. 흑점과 연관된 강한 자기장은 위로 올라오는 뜨거운 물질의 흐름을 멈추게 하고 뜨거운 기체를 막는 일종의 마개 를 형성한다. 마개 위의 물질이 차가워지면서(파란색 으로 나타낸 부분) 더욱더 밀도가 높아지고 안쪽으로 추락하면, 더욱더 많은 기체와 자기장을 흑점 쪽으로 끌어당긴다. 집중된 자기장은 흑점을 차갑게 만들며 자가 영속적 순환을 조성함으로써, 흑점이 몇 주일 동안 지속될 수 있게 한다. 마개가 뜨거운 물질이 흑 점 쪽으로 올라오는 것을 막기 때문에, 사진에서 빨 간색으로 나타낸 마개 아래 지역은 더욱 뜨거워진다.

이 물질은 양 옆으로 흐르다가, 결국 흑점 주변의 태 양 표면으로 올라온다.

(19)

태양 내부 : 이론

태양 진동을 더 정밀 측정하면 중심에 가까운 영역의 태양구조 탐사 가능

- 1995년부터 관측 시작.

- 한 태양 활동 주기(11년)를 채우기 위한 11년간의 지속적인 측정

태양 지진학 범세계 관측망

(Global Oscillation Network Group[GONG])

태양 지진학의 연구 결과

1. 태양 대류는 표면으로부터 시작하여 안으로 태양 반지름의 30% 되는 거리까지 확장되어 있다.

2. 수소가 이미 헬륨으로 전환된 중심부의 핵반응 발생 영역을 제외한 태양 내부는 헬륨 조성비가 표면과 동일하다.

▶ 태양 내부 모형 계산 시 태양 대기에서 구한 원소들의 화학 조성비 사용 가능

(20)

태양 내부 : 관측

- 핵반응이 진행되는 동안 발생

- 태양은 중성미자에 투명

: 물질과 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 중심에서 생성된 대부분의 중성미자들은 광속도로 태양을 직접 빠져나감

- 태양 내의 핵융합 반응에 의해 생성되는 총 에너지의 약 3%가 중성미자에 의해 실려 나감 - 3.5×1016 개의 중성미자가 매 초 1m2의 지표면 통과

중성미자를 지표면에서 검출하면 태양 내부 구조 연구 가능

- 염소 원자핵이 중성미자와 상호작용 → 방사능 알곤 핵(동위원소 알곤 37)으로 변하는 현상 이용 - 상호작용이 극히 드물어서 매우 많은 양의 염소가 필요

태양 중성미자

(21)

태양 내부 : 관측

중성 미자 검출 실험

- 지하에 표백제 40만 리터를 채우고 중성미자 검출 시도

- 1970년 이후 지속된 실험 결과:

실제 지상에서 검출되는 중성미자 수는

태양 내부 표준 모형이 제시하는 수의 약 1/3에 불과

- 최초로 중성미자가 지구에 진입하는 방향 결정 성공(태양으로부터 온다는 사실 확인) - 태양 모형이 예측하는 것보다 적은 수의 중성미자 검출

- 중심 온도를 좀 낮추고 모형 계산에 들어가는 입력자료를 좀 수정하면 고에너지 중성미자 수의 부족 현상 기술 가능

미국

미국 South Dakoda 주 금강갱도의 지하 1마일 깊이에 설치된 중성미자 검출 장치

일본

(22)

태양 내부 : 관측

저에너지 중성미자

- 거의 모든 태양 에너지와 태양 중성미자는 P-P 순환의 첫 단계인 2개의 양성자가 융합하여 중수소를 만드는 과정에서 생성

- 태양이 방출하는 에너지를 정확히 알고 있으므로 2개의 양성자가 1초에 몇 번 융합되어야 하는지 정확히 추정 가능

→ 저에너지 중성미자가 매 초 얼마나 생산되는지 알 수 있음

- 보다 확실한 검사를 위해 P-P반응과 관련된 저에너지 중성미자 검출 실험이 더 절실히 요구됨

저에너지 중성미자 검출 실험 - 1990년대 초

소련, 이탈리아에서 검출된 저에너지 중성미자 수는 표준모형 예측치의 약 2/3에 불과

(23)

태양 내부 : 관측

저에너지 중성미자 문제

- 중성미자는 3가지 유형이며, 표준이론은 그들이 모두 질량을 갖지 않는다고 가정 (실험적으로 증명된 바는 없음)

- 만일 하나의 중성미자가 극히 미량의 질량을 갖는다면,

한 유형의 중성미자가 태양 중심으로부터 광구를 지나 지구표면에 이르는 동안 다른 유형의 중성미자로 변화 가능

→ 태양 내부의 융합과정에서는 전자 중성미자라고 부르는 오직 한가지 유형만 생성

→ 전자 중성미자의 일부가 태양 중심으로부터 지구에 이르는 동안 다른유형으로 변했다면, 지금까지 수행된 실험에서는 변형된 중성미자를 검출하지 못했을 것.

- 모든 유형의 중성미자를 검출할 수 있는 새로운 실험 장치 필요 - 중성미자의 질량을 측정하는 실험 장치 필요

* 1998년 일본 연구팀이 수퍼카미오칸데 실험에서 세 종류의 중성미자(전자, 뮤온, 타우) 사이에 서로 변환이 일어남을 발견

(24)

태양 내부 : 관측

뮤온 중성미자 실험

- 1995년 Los Alamos

- 한 종류의 중성미자(뮤온)를 다량 생산

- 167톤의 ‘유아 피부용 기름’을 채운 검출기로 다른 종류의 중성미자(전자 반 중성미자) 검출

- 전자 반 중성미자가 낸 7개의 섬광 관측

- 중성미자의 질량이 ‘0’이었다면 아무 일도 일어나지 않았을 것

Liquid Scintillating Neutrino Detector (LSND)

(25)

태양 내부 : 관측

최근의 중성미자 실험

- 유럽입자물리연구소(CERN) 오페라(OPERA) 실험 연구진

검출기에서 GPS 신호를 전달하는 광섬유케이블과 메인 컴퓨터를 연결하는 플러그가 느슨하게 조여진 게 측정 오류를 일으켰을 수도 있다고 발표

(26)

태양 내부 : 관측

한국의 중성미자 실험

- 세 종류의 중성미자 사이에 ‘변환상수’ 존재

- 서울대 물리천문학부 김수봉 교수를 연구책임자로 12개 대학 35명으로 구성된 연구팀.

`RENO(원전 중성미자 실험)`라고 이름 붙여진 이 연구팀은 중성미자의 세 번째 변환상수가 `10.3%` 라고 발표했다. (2012.04.05)

(27)

태양관련 동영상

http://astro.kasi.re.kr/

동영상 1. 태양의 내부구조

동영상 2. 태양의 미래

(28)

태양에서 배우는 삶의 지혜

(29)

항성

행성

움직이지 않음

움직임

스스로 빛을 냄

스스로 빛을

내지 못함

(30)

물질은 곧 에너지 E = mc

2

수소가 헬륨으로 핵융합 반응할 때 0.71%의 질량결손!

1 .0000kg 수소핵융합 0.9929kg 헬륨생성 0.0071kg 빛에너지

6.4 10

14

Joule

지상에서 쓰는 전기와 화석연료

연간 총 소비량의 10배!

초당 6억 톤의 수소가 핵융합반응!

태양광도

4 10

26

Joule/s

태양에너지의 근원은?

(31)

태양에 매장된 수소 양: 2 10

30

kg 수소 핵융합반응!

초당 400만 톤의 수소가 에너지로 바뀌고 있다

100억년 동안 빛에너지를 방출할 수 있다

태양에너지의 근원은?

(32)

모든 에너지의 근원이 태양 에너지

태양에너지는 수소가 타면서 나옴 자기 몸을 태워서 에너지를 생산 !

희생

헌신

(33)

태양상수 (2칼로리/m

2

/min)

쌀밥 한공기는 300칼로리

150분에 쌀 한 공기씩 우리에게 제공

필요공급

50억년 동안 우리에게 에너지 제공

(34)

태양에선 지금 . . .

(35)

태양!..@@

(36)

태양!..@@

(37)

태양은 끓고 있다?

(38)

170,000km

핵에서 채층 까지: 698,450km

복사 층 420,000km

대류 층 105,500km

광구 450km

채층 2,500km

태양의 내부

(39)

태양대기에서의 높이 (km) 온

(K)

광구 채층

전이영역 코로나

태양 대기의 온도

(40)

육안으로 태양이 둥글다고 느끼는 부분 (표면)

광구 상층은 투명하나,

400km정도 아래로 내려가면 불투명 상태

태양흑점이 관측되며 스피큘도 시작

광구

(41)

광구 바로 위로 이어지는 대기층

- 어두워서 (투명상태) Hα 필터로 볼 수 있다 - 두께는 2000~3000km

-바깥쪽으로 갈수록 -밀도는 감소,

- 온도는 증가

- 홍염, 플레어, 플라쥐, 스피큘등이 관측됨

채층

(42)

전이층

채층의 끝부분에서

온도가 급격히 증가하는 영역으로 밀도가 매우 낮다

코로나

전이층 다음으로

가장 외곽 대기층

- 광구 밖으로 수백만 km까지 확장됨 - 온도는 1백만 K에 이른다.

전이층과 코로나

(43)

•양성자와 전자로 이루어진 입자의 흐름(400km/s)

•코로나를 구성하는

•기체의 온도가

•너무 높아

•중력으로 가둘 수 없다

•오로라

태양풍이 지구 공기분자와 원자들과 충돌하여 일어난다.

태양풍

(44)

모든 파장의 빛이 나온다 !

가시광선도 백색광으로 …

무지개 색깔로 분해할 수 있다

조화

반사될 때 물체의 색깔을 알게 해줌

구성원을 인정해주고 세워줌 (행성)

(45)

인내

혜성의 목성 충돌

(46)

태양계 가족

(47)

지구형 행성들의 크기

(48)

목성형 행성들의 크기

(49)

지름 무게 부피

109배 33만배 130만배

태양의 크기 (지구에 비해)

(50)

하늘에서 보이는 태양의 크기

(51)

하늘에서 보이는 별의 크기

(52)

인도

(53)

사랑의 빛

어두움을 몰아냄

사랑

낮과 밤

(54)

채워지지않

는 욕구 상처 성격/기질

집착 중독

삶의 스타일

사랑의 빛

이해 사랑

사랑의 빛을 비추는 리더

(55)

태 양

-> 태양계의 아버지, 어머니 :

태양계에 있는 모든 생명체에 있어 부모 같은 천체

모든 연료도 그 근원이 태양 (빛)

지구와 적당한 거리 - 생물체가 살 수 있다

태양계 전 가족이 태양의 에너지로 모습유지

지구질량의 33만배 모든 행성들을 합쳐놓은 질량의 750배

(전체질량의 99.86%)

(56)

태양에서 배우는 사랑

헌신

조화

인도 사랑

인내

필요공급

(57)

알았다 ! 실천하자 !

우리는 내면에 쌓인 것을 말하기 때문에 평소에 무엇을 저장하느냐가 중요!

태양같은 리더가 되기 위해 . . .

(58)

천사 악마 행복 불행

사랑.감사 너 정말 예뻐

고맙습니다 참 잘했네

망할 놈 짜증나네

죽여버릴꺼야

하지못해? 안돼!

(59)

태양같은 리더

세상

행복

말로 구성원을 살리는 리더 !

5-3 = 2+2 = 4

참조

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