공부하고 정리하고

전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과

핵의 주위를 돌고 있는 전자는
불연속적인 에너지 궤도를 가진다.

→ 이를 양자화 되었다고 합니다.

불연속적으로 하나의 궤도씩 여러 개가 존재하는 것으로
설명했으나 자연계에 존재하는 여러 가지 방해(힘)로
하나의 궤도가 아닌 갈라짐이 생긴다.

→ 이를 섭동이 있다고 설명합니다.

이러한 갈라짐 중에 자기장에 의한 갈라짐이 발생하고
이 갈라짐이 스핀이 다운스핀이면 더 여기된 상태로
업스핀이면 더 낮은 에너지 상태로 갈라지게 됩니다.

→ 이러한 효과를 제만효과라 합니다.

마지막으로 자기장이 높을수록 비교적 안정된 상태인
아래쪽 에너지 준위에 더 많은 전자가 가게 됩니다.

→ 볼츠만 분포에 따릅니다.

적용

저번 시간에 소개한 전자의 에너지 궤도 불연속성과 전자가 가지는 고유의 스핀을 기억해봅시다. 이는 전자에만 해당하는 내용이 아닌 핵자에도 해당이 되는 내용입니다. 각각의 핵자도 에너지가 양자화되어 있고 고유의 스핀을 가지게 됩니다.

공명

공명현상은 아마도 다들 한 번 이상은 들어보셨을 거라고 생각합니다.
초등학교때 한쪽의 소리굽쇠를 울리면 그 옆의 소리굽쇠가 따라 울리는 실험을 하신 분이라면 공명을 직접 느껴보신 겁니다.

공명현상은 외부에서 일정 진동자를 가진 파동이 들어왔을 때 외부에서 들어온 진동자와 자신이 가지고 있는 진동자가 동일할 때 즉, 진동수(주파수)가 같을 때 진폭이 증폭이 되는 현상을 말합니다.

왜 지금 이 공명현상을 설명할까요?
왜냐하면, 공명현상이 NMR 분광기와 (N)MRI의 핵심이기 때문이죠.
공명을 하는 대상은 바로 핵자입니다.
핵자마다 고유의 진동수를 가지기 때문에 우리는 외부에서 전자기파(라디오파)를 주어 공명을 시킬 수 있습니다.!!!! 이것이 핵심원리입니다. 모두 기억합시다.!

라모어 세차 운동

그럼 어떻게 진동수라는 것을 가질까요?
이를 설명해주는 이론이 라모어 세차 운동입니다.
관찰력이 좋으신분들이라면 혹시 알아채셨을 수도 있는데 스핀방향을 나타내는 그림들을 보면 올곧게 있는 그림은 없다는 사실을 알 수 있습니다. 약간씩 다들 누워있죠. 지구의 자전축처럼요.
이렇게 살짝 기울어져 있을 때 외부 자기장(자연계에 존재하는)을 수직 방향으로 받게 되면 빙글빙글 돌게 됩니다. 자기장과 스핀으로 인해 생긴 자기모멘트로 인해 돌림힘을 받기 때문이죠.

이러한 이유로 일정한 속도를 가지고 돌게 되죠.
공식을 간단히 적어보면 아래처럼 적을 수 있습니다.

식의 과정은 살펴볼 필요 없이 결과식만 봐주시길 바랍니다.
결과식에서 자기장(B)이 높아지면 진동수(v)가 커짐을 볼 수 있죠?
그렇다는 것은 높은 자기장을 걸어주면 높은 공명진동수를 가진다! 라는 것을 알 수 있습니다.
그래서 높은 자기장을 걸어주게 되면 그만큼 공명을 위한 높은 전자기파를 필요로 하게 됩니다.

공명 과정

이제 마지막으로 핵의 공명과정에 대해서 살펴보겠습니다.
외부에서 일정한 자기장을 걸어줍니다. 그렇게 되면 제만효과에 의해 에너지 궤도의 갈라짐이 생기게 되죠. 이때 업스핀이 아래에 다운스핀이 위에 가 있습니다. 이 상태에서 외부에서 아래 궤도에 있는 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 걸어주게 됩니다.

그럼 아래 궤도에 있던 업스핀을 가진 핵자가 공명을 하며 다운스핀으로 바뀌며 위의 궤도로 올라가게 됩니다. 그리고 이내 에너지를 잃으며 다시 안정화가 되죠. 다시 업스핀으로 돌아옵니다. 이때 안정화가 되며 잃은 에너지를 신호로 분석하게 됩니다.
즉, 라디오파를 사용해 공명을 하여 업스핀 → 다운스핀 → 업스핀으로의 과정에서 방출하는 에너지가 물질 대상에 따라 다른 점을 분석하는 것이 MRI와 NMR의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

핵분열과 핵융합의 차이를 명확히 아시나요? 뭔가 핵분열은 나눠지는거고 핵융합은 합쳐지는 느낌입니다. 네, 말 그대로 나눠지고 합치게 되는 것입니다. 그럼 조금 더 자세히 설명해볼게요!!

핵분열이란?

핵분열은 방사능처럼 붕괴하는 것과는 조금 다름니다. 핵분열도 붕괴이긴 하지만 알파선, 감마선 같은 방사선만 내는 것이 아니라 조금 큰 물질로 나눠집니다. 우라늄-235의 경우 질량수가 235인데 분열하게 된다면 그의 반인 110~120 근처의 핵분열 생성물 두 개로 나누어집니다. 이때 엄청난 에너지가 발생합니다.

여기서 에너지가 발생하는 이유는 다들 한 번쯤은 들어보았을 E=mc2 입니다. 이 식의 의미는 질량은 곧 에너지다 입니다. 그러니까 가만히 있으면 에너지가 0이라고 보았던 고전물리와 달리 정지질량을 가지고 있다는 말을 가집니다. 그런데 왜 큰 에너지가 발생하느냐 하면 광속의 제곱이 곱해져 있습니다. 광속은 30만km/s입니다. 이 제곱이 곱해져있다는 것은 정지질량 즉, 정지했을때도 가지고 있는 에너지가 엄청큽니다. 이런상태에서 핵이 붕괴를 하게되면 질량결손이 일어납니다. 그러니까 두 개로 나눠지면서 딱 일정하게 서로 나눈 것이 아니라 손실되어 중성자와 방사선을 동반하며 손실한 질량 만큼에 광속의 제곱을 한만큼의 에너지를 발산합니다. 이때 나오는 에너지로 물을 끓여 증기 발전을 하는 것이 핵분열 발전소라 할 수 있겠습니다. 실제 우라늄-235는 핵분열하면서 200MeV의 에너지를 낸다고 합니다. MeV가 백만볼트이니까 대략 2억볼트의 전압으로 전자를 가속시키는 힘과 같은 힘이 나온다고 생각하시면 됩니다.

핵융합이란?

핵융합은 핵분열과 반대로 두 개를 합치는 것이라고 했습니다. 원리는 비슷합니다. 두 개의 핵이 하나의 핵으로 합쳐지면 이때 또한 질량결손이 발생합니다. 즉, 1+1을 했는데 2가 조금 안 된다는 것입니다. 이 ∆만큼의 에너지가 발생하게 되고 이를 에너지원으로 사용합니다. 하지만 핵융합은 핵분열보다 까다롭습니다. 핵분열의 경우는 무거운 핵에 중성자를 넣어 불안정하게 만들어 붕괴를 시키기 때문에 비교적 붕괴환경을 만들기 쉽습니다. 하지만 핵융합의 경우는 각각의 핵들은 클롱 척력으로 밀어내고 있기 때문에 이를 넘어갈 만한 힘을 주어야 합니다. 그래서 고온으로 만들기 위해 플라즈마라는 기체를 넘어 이온화된 기체인 상태로 융합을 시킵니다. 보통 수소를 이용해서 헬륨이 되면서 나오는 에너지를 이용하기 위해 시도하고 있습니다. 대표적으로 중수소와 삼중수소의 융합당 에너지는 그림과 같습니다.

핵융합의 장점은 붕괴하면서 나오는 게 아니기 때문에 방사선을 동반하지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 고에너지의 전자들이 존재하기 때문에 x선인 제동복사도 발생을 한다고는 합니다. 물론 핵분열에 비교하면 비교가 안될 만큼 작은 양이겠죠

그렇다면 핵융합을 현재 사용하지 못하고 있는 이유는?

얼마 전 북한이 성공했다고 주장하는 수소폭탄이 핵융합과 핵분열이 같이 사용된 원리입니다.

우라늄-235로 핵분열을 기폭 시켜서 고온의 플라즈마 상태를 만들고 이 상태에서 순간적으로 핵융합을 시켜 엄청난 폭발력을 얻어내는 것이지요.
이렇게 폭탄에는 적용을 했는데 왜 발전에는 못 쓰이고 있을까요? 핵융합은 현재도 연구 진행 중인데 발전을 위해서는 하루 24시간 발전이 될 가능성이 있어야 합니다. 그런데 현재는 17년 7월 6일 자 기사를 보니 중국이 101.2초동안 시운전했다고 합니다. 아직 시작단계라고 볼 수 있습니다.
꿈의 발전 기술이지만 아직은 갈 길이 많이 남은 것 같습니다!!

정리
핵분열은 붕괴시 생기는 질량결손으로 에너지를 얻는다
핵융합은 융합시 생기는 질량결손으로 에너지를 얻는다.
두개의 원리는 E=mc2이다.
발전을 위해서는 지속적인 연쇄반응이 필요하다.
현재 핵분열은 가능하고 핵융합은 불가능하다.

-출처-
1.https://www.redbubble.com/people/sxediostudio/works/17541583-e-mc2?p=pouch

1. https://www.123rf.com/stock-photo/nuclear_fission.html
2. http://www.istockphoto.com
3. https://inhabitat.com/tag/nuclear-power-plant/
4. http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4473908/Trouble-Lockheed-s-fusion-reactor.html
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power
6. http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1115501&cid=40942&categoryId=32429