핵폭탄과 수소폭탄의 물리학 1.핵분열의 에너지

오늘은 핵분열과 핵융합에 대해서 한번 알아보겠습니다.

 

흔히 핵폭탄, 수소폭탄은 들어보셨을꺼에요~ 이런 어마어마한 에너지가 어떻게 발생하는것인지 한번 알아보겠습니다.

 

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아마도 많은분들이 핵폭탄이나 원자력발전, 조금더 들어가면 수소폭탄의 원리에 대해서 들어보셨을껍니다.

 

"무거운 원소의 핵분열이나 핵융합할때 생기는 E=mc^2의 힘으로 엄청난 에너지가 생겨난다." 뭐 이정도로 알고 계신분들이 많이 계실껀데요. 한번 이런것이 왜 생기는가에 대해서 조금만 더 깊이 정리해보겠습니다.

 

그럼 핵폭탄이나 수소폭탄에 대한 설명을 하기전에 일반적인 폭탄에 대해서도 한번 알아봅시다.

일번적인 폭탄(이하 폭탄)은 간단히 말해서 순간적으로 큰 열을 발생시켜서 주위의 기체를 순식간에 팽창시키는것입니다. 그래서 주위의 파편들을 매우 빠른속도로 분산시켜서 순식간에 피해를 주는것이 목적이지요. 이건 거의 화학의 영역입니다.

숯이 연료의 역할을하고 질산칼륨이 산소를 공급하며 황이 연소촉진을 도와주는 촉매 역할을 합니다. 이렇게 하여 엄청난 발열반응을 일으키고 이것이 생겨나는 기체의 급격한 팽창을 만들어 내는것이 바로 일반폭탄의 원리입니다. 사실 기체의 급격한 팽창은 큰 의미가 없어서 주변에 파편이나 쇠구슬 등을 넝어서 피해를 입히는것이 일반목적 폭탄의 기본적인 원리입니다.

 

핵무기는 일단 기본적으로 원리나 피해의 개념이 다릅니다.

그 근원적인 원리는 일반폭탄이 에너지 보존법칙을 따르며 에너지의 전환이 일어나는것인 반면, 핵폭탄은 에너지가 생성되어 분출된다는 것이 가장 큰 차이점입니다. 지금부터 이 에너지가 생성되는 원리에 대해서 간단히 설명드리겠습니다.

 

전 우주상에 자연적으로 존재하는 힘은 현재까지 4가지로 알려져 있습니다. 다들 아시다시피 이 4가지 힘은 중력, 전자기력, 강한핵력(강력), 약한핵력(약력) 입니다.

자 중력은 우리가 계속 느끼고 있는 그 힘이구요, 전자기력은 전자와 양성자가 끌리거나 밀어내는 힘입니다. 전자는 전기적으로 (-) 양성자는 전기적으로 (+)를 띠고 있기때문에 상호간 다른 입자끼리는 당기는힘(인력)이 같은 입자끼리는 밀치는힘(척력)이 작용합니다.

 

약력과 강력이 조금 힘든데요. 그나마 강력은 개념적으로 쉽습니다. 전자기력에 의해 양성자와 양성자는 척력이 작용해야하는데요. 이 양성자끼리가 척력이 작용하는 범위보다 더욱 가까워지면 강력이라는 힘에 의해 전자기력보다 훨씬 강한 힘으로 양성자를 붙들어 놓습니다. 이것이 바로 양성자와 중성장가 원자의 가운데에 핵을 이루어 존재하는 가장 강력한 힘입니다. 약한 핵력은 β붕괴를일으키는 힘인데요 이게 좀 어렵고 이해가 힘이듭니다. 이 포스트에서는 설명하지 않을께요.

 

여튼 이런 힘의 크기는 강력-전자기력-약력-중력의 순으로 약해지구요. 중력은 정말 어마무시하게 작습니다. 하지만 전 우주의 거시적으로 지배하는 힘은 아이러니하게도 중력이지요. 

 

우리는 이제 미시적으로 들어가서 무거운 원소의 원자핵으로 들어가 보겠습니다. 지난 주기율표를 기억하면서 생각하면 좋을것 같습니다.

2018/01/09 - [자연과학] - 원자의 구조 2<주기율표>

 

무거운 원소라는것은 원자핵에 양성자와 중성자가 매우 많이 모여있는 원소를 의미합니다. 주기율표의 아랫쪽에 자리하고있는 원소입니다.

 

주기율표 사진을 다시 소환했습니다. 우리가 흔히 알고 있는 라듐(88), 우라늄(92), 플루토늄(94) 등이 맨 아래 7족 원소에 자리잡고 있지요.

일단 여기서는 핵폭탄의 원리를 설명하는것이기 때문에 어떤 우라늄이 어떤 임계잘량을 갖고 이런것은 논하지 않을께요. 필요하신분들은 구글링해보시면 금방나옵니다.

 

일단 우라늄 원자핵을 한번 볼께요.

아주 많은 중성자와 양성자가 제대로 모려있네요. 강력이 아주 잘 작동하고 있음이 느껴집니다^^.

자 다시 힘으로 돌아가서 양성자와 양성자가 아주가까운 거리에서 작용하는 힘이 바로 강력이라고 했고 양성자와 양성자끼리가 거리가 좀 있을때는 전자기력이 발생한다고 했습니다.

 

그럼 생각해 봅시다. 왼쪽 위의 양성자와 그 바로 옆의 양성자는 강한핵력으로 잘 묶여 있을것입니다. 그런식으로 서로서로 체인을 이루면서 인근의 양성자끼리는 강력으로 잘 묶여 있겠지만, 사진에서 화살표로 표시한 양성자끼리는 어떨까요. 이것들은 인근의 양성자들의 강력에 의해서 원자핵으로 묶여 있기는 하지만 강력이 허용하는 범위를 벗어나 서로 강하게 밀치는 전자기력이 작용하고 있는것입니다.

이러한것 때문에 무거운 원소로 갈수록 중성자가 많아지는 것입니다. 더 꽉 붙들어 매 두려구요.

 

바로 이러한 힘 때문에 저 주기율표 이상의 원소가 만들어지기가 힘이 든 것이죠~!!! 그리고 이것이 결국 핵분열의 기초가 되고, 방사능 물질을 발생하는 근원이 됩니다.

 

이런 무거운 원소는 항상 불안한 상태일 것입니다. 조금만 뭔가 힘을 가해도 쪼개질수 있겠죠. 그래서 에너지를 얻으려고 이것을 쪼갭니다. 어떻게? 중성자를 이 원자핵을 향해서 엄청난 속도로 때려버리는 겁니다. 그림처럼요.

그럼 안그래도 불안불안하던 무거운 원소는 에라모르겠다 하고 쪼개져 버립니다. 이렇게 좀더 안정된 핵분열 생성물로 바뀌도 이 과정에서 다른 중성자들도 튀어 나가면서 마로 옆의 다른 무거운 원소를 때리고 또때리고 하면서 어마무시한 속도로 핵분열 반응을 일으킵니다. 이때 배로 엄청난 에너지가 나오는것이죠.

 

그럼 이 에너지의 근원에 대해서 알아보겠습니다. 일단 우리가 잘 아는 공식하는를 소환하겠습니다.

아인슈타인의 특수상대성 이론으로부터 등장하는 공식입니다.

 

이 공식을 해석해 봅시다. 질량에 광속의 제곱을 곱하면 에너지가 나온다는 얘기입니다. 그럼 1kg의 질량이 에너지로 전환되면 어느정도의 에너지가 나오는지 한번 계산해 봅시다.

여튼 큰 에너지인것 같지만 감이 안옵니다. 이걸 좀 감이오도록 비교해보면 1J의 에너지는 1N의 힘이 1m움직이는데 사용되는 에너지로 정의 됩니다. 뭐 이것도 좀 어렵습니다.

 

우리가 흔히 쓰는 전기전력의 단위로 한번 환산해 보자면 만약 1초동안 1kg의 질량이 에너지로 전환되었다고 한다면 10000테라와트 정도가 됩니다. 우리나라 1일 전력생산량이 약 100기가와트정도가 된다고 하니, 1kg의 질량이면 현재 기준으로 27397년, 숫자로 하니 감이 안삽니다. 글자로 이만칠천사백년정도 우리나라 전체가 사용할 전력량이 됩니다. 이정도면 감이 오실런지 모르겠습니다. 엄청난 양이라는것이지요.

 

그렇다면 다른 생각도 가능합니다. 아주 조그만 질량도 엄청나케 큰 에너지가 될 수 있겠구나~!!! 이게 핵폭탄이 됩니다.

 

그럼 의문이 생깁니다. 우리는 질량이 보존된다. 에너지는 보존된다는 에너지(질량) 보존의 법칙을 알고 있거든요. 왜 질량이 보존되지 않고 에너지로 전환이 되는걸까요?

 

여기서 부터가 이번 포스트의 핵심입니다.

각 원소별로 양성자 1개당 질량을 한번 비교해 봅시다. 아래 그래프와 같네요.

핵자는 원자핵을 이루는 양성자와 중성자를 의미하구요, 여기에서 말하는 무게는 전체 양성자와 중성자의 질량을 그 갯수로 나눈 값입니다.

그런데 이그래프는 우리의 생식과는 조금 다르네요. 양성자, 중성자의 질량이 변합니다!!! 보면 수소가 제일 무겁구요, 점점점 줄어들다 철에서 가장 가볍고 또다리 서서히 증가하는 그래프를 그립니다.

 

여기서 의문이 생깁니다. 과연 왜?? 이럴까. 그런데 사실 이건 조금 전문적인 영역입니다. 핵의 퍼텐셜 에너지의 개념을 알아야 하고, 핵자들의 에너지 준위, 스핀에 따른 엔지 준위에 몇개의 입자가 존재하는지 등의 꽤 전문적인 영역에 해당하기 때문에 여기서는 설명을 안하구요, 일단 간단하게 강력과 전자력의 합계를 따져보면 핵자가 작으면 강력으로 인해 에너지가 크다가 급격히 감소하다가 다시 전자기력으로 점차 늘어가는 형태를 취한다 정도로만 알아두시면 되겠습니다. 

 

그럼 핵분열을 다시한번 생각해보죠.

위의 그래프와 함께 생각해봅시다. 중성자가 불안한 우라늄을 때렸어요. 그래서 크립톤과 바륨으로 나뉘었습니다. 그런데 크립톤과 바륨은 그래프에서 보면 우라늄보다 핵자들의 질량이 가벼워요. 결국 크립톤 + 바륨을 하면 우라늄보다 아주 쪼금 가벼워졌다는것을 알 수 있습니다. 이 아주 쪼금 가벼워 지며 생기는 에너지가 바로 우리가 잘 아는 원자력 발전이고, 핵폭탄의 엄청난 에너지가 되는것입니다.

 

우리가 우리 주우에서 보고 경험하는 에너지(질량) 보존의 법칙은 원자자체가 변하지 않는다는 가정하에 성립되는 법칙입니다. 원소 자체가 변화하면 미세하지만 질량의 변화가 발생하고 그 변화는 엄청난 에너지로 나타납니다.

 

사족을 하나 달아볼께요. 위의 공식에서(E=mc^2) c라는 상수를 매개로 에너지와 질량이 같다는것을 알게 되었습니다. 그래서 보면 물리학자들은 대부분 질량과 에너지를 동일한 의미로 사용하는 느낌을 받습니다.

 

두번째, 원자에 대해 말하다보면 가끔 철이 가장 안정된 원소라는 얘기가 나올때가 많습니다. 여기서의 안정은 화학적 안정이 아니라 원소 자체의 안정성을 의미합니다. 위 그래프에서 보듯 가장 가볍다는 얘기지요. 사실 정확하게 말하면 니켈인데요. 철이 더 많아서 그렇게 얘기합니다. 화학적 안정성은 어떤 반응에 대한 안정성을 의미하는것으로 18족 원소인 헬륨이나 아르곤 등에 해당되는 내용이니 이 안정이라는 두 단어의 의미를 구분해서 이해하시면 좋겠습니다.

 

그래서 별의 내부에서 생성되는 마지막 원소는 철이 됩니다. 이건 언젠가 분명히 별의 생애에 대해 포스팅을 하며 설명할 날이 올껍니다.

 

이것으로 핵분열에 의한 에너지인 핵폭탄과 핵발전의 원리에 대해 간단히 알아봤구요. 다음은 수소폭탄의 원리와 별의 에너지 발생에 대해서 알아보겠습니다.

 

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많은분의 조언이나 오류수정, 보완, 첨언 환영합니다.

 

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