5. 원자의 결합에너지/핵력

5. 원자의 결합에너지와 핵력

5-3. 결합에너지(Bond energy)

결합에너지는 원자핵을 양성자와 중성자로 다시 떼어놓기 위해 필요한 에너지로, 비결합에너지(핵자당 결합에너지) 결합에너지에 핵자수를 나눈 것이다. 화학적으로는 결합의 세기를 측정하는 방식이기도 하다. 

 

내용

원자핵을 구성하고 있는 핵자(양성자,중성자)는 강한 핵력으로 결합되어있는 상태인데, 이상태가 독립된상태로 있는 것보다 퍼텐셜에너지가 낮으므로 안정된 상태이다. 결합에너지가 클수록 원자핵의 안정성이 증가하고, 원자 번호가 다른 원소들의 안정/불안정성은 단순하게 결합에너지로 비교하면 안되어서, 핵자당 결합에너지를 비교하여 안정/불안정성을 비교하는게 낫다. 핵자의 결합에너지는 원소에 따라 조금씩 다른데, 철(Fe)에서 그 값이 최대가 되고, 원자번호숫자가 커질수록 점점 값이 떨어지는 특징이 있다. 

핵자당 결합에너지 그래프

X축 질량수 20이상이면 비결합에너지는 거의 일정해지고, A=60부근에서 가장 크다(A=60부근의 원소는 철이며, 56-Fe). 가장 안정된 원소 철을 기준으로  다른 원소들은 안정된 상태를 가지려하는 불안정안 상태라, 핵분열 또는 핵융합으로 결합에너지 값이 변하는 경향이 있다. 철(56-Fe)보다 A(질량수)가 작은 원소들은 핵융합을 하면서 질량수가 증가되면 안정화가 되고, 질량수가 더 큰 원소들은 핵분열하면서 안정된 상태로 변한다.

질량결손도 식

질량결손

이 식을 통해 질량결손을 에너지로 환산한 값이 아래 식으로 나타나는 결합에너지 값이다.

질량결손 에너지 환산 식

핵자까리 결합하여, 더 낮은 상태로 될 때, 결합에너지만큼의 에너지가 방출되므로 질량도 가벼워진다.

 

 

5-4. 핵력(The nuclear force)

핵력은 핵자-핵자 상호작용 또는 잔류 강한 핵력은 핵자(양성자,중성자)들 사이에 작용하는 힘으로, 양성자와 중성자가 결합하여 원자핵을 형성하는 근원적인 힘으로 원래 전자기적 반발력(쿨롱포스)이 강하게 작용하나, 원자핵은 똘똘뭉쳐 안정된 상태인데, 이는 전자기적 반발력보다 더 큰 핵력이 작용하고 있다는 반증이 된다. 이 힘은 가상 중간자(파이온)의 교환으로 이해할 수 있는데, 파인만 도표를 보면 좀 더 이해가 쉬워진다.

왼쪽->오른쪽으로 시간이 흐르는 중성 파이온 에 의해 매개되는 강한  양성자-중성자  상호작용 파인만 도표.

그리고 핵력의 성질은 아래의 6가지의 형태로 나타난다.

	핵력의 성질
I	오직 하드론(Hadron, 강입자) 사이에서만 작용한다.
II	1.3펨토미터(1.3 X 10^-15m)이상의 거리에서 힘은 지수적으로 감소하여 값이 0에 수렴한다.
III	짧은 거리에서 핵력은 전자기력보다 100배정도 강하기에 원자핵 속의 양성자들의 쿨롱 반발력을 이기고 양성자들을 붙잡아 놓을 수 있다.
IV	전하독립성(Charge independent) : 핵력은 전하에 무관하며 p-p, p-n, n-n 상호작용 힘은 차이가 없다.
V	핵자들의 스핀(Spin)이 평행한지 반평행한지에 따라 달라진다.
VI	두 핵자간의 교환력(위치, 전하)존재, 파이중간자가 매개하고 있다.

 

출처 : 방사선 이론과 실제(일반)