Chapter. 핵화학 핵 - 원자핵의크기 : 원자지름의 /, 배 - 긍정적인측면 : 의학적진단, 암치료, 고고학적인연대측정, 화재예방등에사용 - 부정적인측면 : 핵관련사고 (ex. 3 마일섬, 체르노빌사고, 후쿠시마사고 ), 핵폐기물처리문제, 핵무기확산에의한지구위기. 자연방사능 방사성동위원소 : 방사성붕괴를하는핵 방사선배경방사선 : 항상존재하는방사선 - 태양과우주밖에서날아오는우주선 (cosmic ray) 에피폭 - 공기, 물, 흙, 돌등에있는자연적인동위원소로부터날아오는방사선전리방사선 : 원자나분자로부터전자를떼어내어이온으로만드는방사선 (ex. 핵방사선, X- 선 ) 전리방사선이미치는피해 - 분자를자유라디칼로분해하여생명을유지시키는세포과정을붕괴 - 생식세포의유전에관여하는 DNA 에변화를일으킬수있음배경방사선이미치는피해 - 돌연변이를일으킬수있음
.2 핵반응식 핵반응식의균형 : 핵자 ( 양성자와중성자 ) 의수를맞춤 ex) 라돈-222의알파 (α) 입자의핵방출 ex) 수소 -3 의베타 (β) 입자의핵방출 그림.2 (a) 알파입자의핵방출 (b) 베타입자의핵방출 ex) 불소 -8 의양전자방출 9 F ¾ e 8 8 8 O ex) 요오드 -25 의전자포획에의한붕괴 53 I - e 25 25 52 Te 그림.3 핵변화는양전자의방출과전자포획을수 반한다
예제. 핵반응균형맞추기다음과정의핵반응의균형을맞추어라. 각경우에어떤새로운원소가생겼는지써라. 풀이 (a) 플루토늄 -239 가붕괴할때알파입자를방출 (c) 탄소 - 이붕괴할때양전자를방출 (b) 프로트악티늄 -234 가베타붕괴를함 (d) 탄소 - 이전자를포획 a. 플루토늄 -239 의기호와생성물의하나인알파입자를보여주는부분적인핵반응식을먼저쓴다. 239 4 94 Pu 2He 질량과전하의보존에의해새원소의질량은 239-4 = 235, 전하는 94-2 =, 따라서 Z= 인우라늄임 4 94 Pu 2He b. 프로트악티늄-234와생성물의하나인베타입자를보여주는부분적인핵반응식을먼저쓴다. 234 Pa? 새원소의핵자수는 234, 핵전하는 (Z=, U) 239 9 - e c. 탄소-의기호와생성물의하나인양전자인부분적인핵반응식을먼저쓴다. C ¾? 6 e 새원소의질량수는, 핵전하는 5 (Z=5, B)? 235 U 9 Pa - e 234 6 C ¾ e 5 B 234 U d. 탄소-의기호를쓰고탄소-이전자를포획하는부분적인핵반응식을먼저쓴다. 6C - e? 생성물의질량수는, 핵전하는 5 (Z=5, B) 6C - e 5 B
.3 반감기 반감기 : 처음원소의 ½이붕괴하여새로운원소를형성하는시간주어진수만큼의반감기가지난후에남아있는초기동위원소의분율 남아있는분율 = n (n : 반감기의수 ) 2.4 방사성동위원소연대측정 탄소 -4 연대측정 - 식물이나동물에서유래된가공품의연대측정에사용 - 중성자와질소의충돌에의해생성 4 7 N n 6C 4 H 그림.4 요오드 -3 의방사성붕괴 ( 반감기 =8 일 ) - 반감기 = 573 년 (ex. 탄소 -4 의활동도가살아있는식물의 25% 인유물,46 년 (573 년 2)) - 5, 년정도까지는상당히정확 삼중수소연대측정법 - 반감기 =2.26 년 - 년이내의연대측정에유용 - 브랜디의숙성기간검사에사용
.5 인공변환 한원소를다른원소로변환시키는방법 : 화학적방법에의해실행될수없고핵과정에의해실행 에너지가충분한입자를안정한핵에충돌시켜변환시킬수있다. ( 인공변환 ) ex) 질소와알파입자를충돌시켜양성자생성 (94년러더퍼드가가정하였던원자핵안의양성자의존재를처음으로증명한실험 ) 4 4 7 N He O H 7 2 8 ( 수소원자핵은양성자임. 따라서양성자의기호는 H 로쓴다.) 러더퍼드는처음으로핵충돌실험을수행. 원소 4(Rf) 가그를기념하여러더퍼듐이라고명명됨 예제.5 인공변환식칼륨-39가중성자에의해충돌되면염소-36이생성된다. 방출되는다른입자는? 39 36 9 K n 7Cl? 풀이 39 36 4 균형핵반응식 : K n Cl He 9 7 2
.6 방사성동위원소의이용 산업과농업에서쓰이는방사선동위원소 - 다양한분야의과학자들이방사성동위원소를추적물질로사용함 땅속파이프의누수를탐지할때이용 피스톤링의마찰에의한마모를결정할때이용 식물에서인의흡수와분포를결정할때이용 - 농업기술로의유전자조작에이용 - 식품을보존하는방법으로식품에방사선을쪼이는데사용 의학에서쓰이는방사선동위원소 - 목적 : 건강한조직에손상이많이가기전에암세포를파괴하는것 - 방사선치료는백혈구의보충을방해하고감염을증가시킴 방사성동위원소를이용한진단 - 방사성동위원소 : 질병의종류와정도에관한정도를제공하는진단목적으로사용. 예제.6 양전자방출식 PET 검사에사용되는동위원소의하나는양전자를방출하는산소-5이다. 산소-5 붕괴로얻어지는새원소는무엇인가? 풀이 5 핵반응식을쓰면, 8 O ¾ e? 핵자수 A는 5, 원자번호 Z는 8-=7임 5 5 따라서생성물은질소-5이다. 8 O ¾ e 7 N
.7 방사선의투과력 살아있는유기체에손상을입히는능력은방사선의투과력에서옴 - 입자의질량이클수록투과력이약함 - 입자가빨리움직일수록또는방사선의에너지가클수록강한투과력을가짐방사능물질이몸밖에존재하면 - 알파 (α) 입자 : 낮은투과력을가지므로최소의위험도를가짐, 피부의표피에의해막아짐 - 베타 (β) 입자 : 생명유지에필수적인기관에도달하기전에막아짐 - 감마 (γ) 입자 : 조직을잘뚫고지나감, 상당히위험방사능물질이몸안에존재하면 상황은반전됨.8 핵에너지 그림.8 알파, 베타, 감마방사선의상대적 인투과력 핵화학의더극적이고역설적인측면 : 분열이나융합에의한핵에너지의방출아인슈타인과질량과에너지의등가성질량-에너지식 E = mc 2 m = 질량, c = 빛의속도 - 작은질량도엄청난에너지로변할수있다는것을암시 (ex. g의물질을완전히에너지로전환하면 W 전구를 2,8만년동안켤수있음 )
핵분열 934 년이탈리아의과학자페르미 (Enrico Fermi) 와세그레 (Emilio Segre) 는우라늄원자와중성자를충돌 생성물에서 4 가지의방사성물질을발견 그중하나는 93 번원소임 나머지방사성물질에대하여는설명할수없었음 239 239 239 U n ¾ U U e Np 238 ¾ - 93 독일화학자한, 슈트라스만, 오스트리아화학자마이트너 : 우라늄원자와중성자충돌로생성된생성물이우라늄원자핵이쪼개져생긴것이라확신함 핵분열 (nuclear fission) 그림. 우라늄원자가분열을할수 있는한가지가능한방법 핵연쇄반응실라드 (Leo Szilard) : 한원자의분열에서방출된중성자가다른우라늄원자의분열을유발할수있음 분열과정을이용해엄청난폭발력을가진폭탄을만들수있음 그림.2 핵연쇄반응의개요도
아인슈타인 : 질량과에너지의등가성. 여러가지핵반응의에너지를정확하게계산러더포드 : 뉴질랜드, 원자핵의구조를밝힘. 원소의자연변환과방사능화학의연구, 98 년노벨화학상닐스보어 : 원자핵분열이론세움. U-233, U-235, Pu-239 에서만전기적척력이커서핵분열일어남. 제임스채드윅 : 중성자발견 (932 년양전자, 중수소, 중성자발견 ) 오토한과리제마이트너 : 원자핵분열발견오토한과스트라스만 : U-235 중성자 ---à 바륨과란타늄오토한은단독으로노벨화학상수상오토프리쉬 : 마이트너의조카, 원자핵이깨지며큰에너지발생 ---à 닐스보아를통해미국으로알려지고원자폭탄개발레오질라드 : 헝가리출신유태인, 전기공학공부, 핵분열의연쇄반응의개념창시, 페르미와원자로건설존폰노이만 : 폭축렌즈를설계알프레드니어 : 질량분석기를이용해사상처음으로 U-235 분리하롤드유레이 : 화학자, 물에서수소와중수소를분리하는기술연구엔리코페르미 : 세계최초로원자로건설로버트오펜하이머 : 뉴욕출신의유태인, 원자폭탄의개발지휘아서콤프톤 : 빛은파동이면서입자라는사실증명맨하턴프로젝트이끈사람 ( 정부의정책수뇌와이민연구자들의가교 ) 에드워드텔러 : 헝가리유태인, 수소폭탄을만듬. 2 차대전후냉전속에서맹활약
.9 핵폭탄의제조 루스벨트대통령이원자에너지를연구하기위해극비리에프로젝트를시작 939 년시작된맨해튼프로젝트의 4 가지방법 - 핵분열연쇄반응을유지. - 분열성동위원소 235 U 를 9% 정도까지농축 - 플루토늄 -239 를만드는방법 - 핵분열에기초한폭탄을만드는방법분열반응을유지시키기위한우라늄 -235 의임계질량 = 6kg( 235 U 94% 농축 ) 동위원소농축자연우라늄 : 우라늄 -238( 분열하지않음 ) = 99.27%, 우라늄 -235( 분열성동위원소 ) =.72% 폭탄을만들기위해서는우라늄 -235 가약 9% 까지농축되어야함 기체인 UF 6 로전환시킨후가벼운분자인 235 U 을얻음플루토늄의합성우라늄 -238 을중성자에충돌했을때생성된넵투늄 (Np) 이다시붕괴하여플루토늄 (Pu) 을생성함 238 U n 239 U 239 U 239 239 239 - e 93Np 93Np 94Pu - e 그림.3 히로시마에투하된우라늄폭탄 Little Boy 의 단면도.
. 방사성낙진방사성낙진 (radioactive fallout) : 핵폭발이대기중에서일어나면며칠이나몇주가지난후에는방사성물질이수천마일떨어진곳에비처럼떨어짐 - 스트론튬-9 : 유제품이나채소를통해인간에게위험, 반감기 =28.5년 - 요오드-3 : 먹이사슬에의해갑상선에농축, 반감기 =8일. 핵발전소 오늘날전력의상당부분이핵발전소에서생산됨 ( 미국 = 전력의 /5 을생산, 프랑스 = 전력의 7% 를핵발전소에서얻음 ) 핵발전소가핵폭탄과다른점 : 핵연쇄반응으로부터에너지의방출이느리고통제되고있다는점핵발전소의문제점 : 핵반응생성물.2 열핵반응 열핵반응 : 반응을시작하기위해서매우높은온도 ( 수백만도 ) 가필요한반응 4 태양에서주로일어나는반응 융합반응 4H 2He 2 e ; 수소 g이융합되면거의 2톤의석탄을태우는것과같은양의에너지가방출됨