길을 찾아서

선행적으로 알아야 할 개념.

1. 중성자 포획(neutron capture)

1) 원자핵이 중성자를 포획하여 더 무거운 원자핵이 되는 과정
2) 결과물이 안정적이면(중성자 갯수만 늘어나는) 더 무거운 동위원소가 생성되고, 불안정하면 베타붕괴(중성자→양성자)가 일어나서 원자번호가 1 더해진 무거운 원소가 생성.
3) 크게 r-process(rapid neutron capture process)와 s-process(slow neutron capture process)로 나뉘는데, 보통 각기 50% 정도의 비중으로 철보다 무거운 원소들의 생성에 기여.
4) r-process : 베타붕괴를 할 시간의 여유 없이, 다른 중성자를 추가로 포획해야 하는 경우. 자유 중성자 밀도가 높은 환경에서 발생(초신성, 결합하는 중성자 별들merging neutron stars)
5) s-process : 시간이 충분하여 베타붕괴가 진행된 후 다른 중성자를 추가로 포획할 수 있는 경우. 자유 중성자가 밀도가 상대적으로 낮은 환경에서 발생(적생 거성).

https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis

수소와 헬륨은 빅뱅 과정에서 대부분 생성됐고, 철까지는 핵융합으로, 그 이후로는 연속적으로 중성자가 더해지는 프로세스에 의해서 생성되었다고 여겨짐.

위 주기율표는 현대 천체물리학에서 계산된 원소들의 발생 비중을 표시하고 있음.

https://svs.gsfc.nasa.gov/13873

좀 더 직관적인 버전으로 나사 홈피에 소개한 버젼도 있다.

수소H와 헬륨He은 모두 빅뱅 시기에 출현한 원소(수소는 100%, 헬륨은 99.99% 정도)이며, 철Fe는 백색왜성 형성 혹은 초신성 폭발시에 형성, 로렌시움Lr은 실험실에서 인위적으로 만들어진 것이다.

출처 : 아는 천체물리학자

1. 방사성 붕괴(Radioactive decay, nuclear decay)

 불안정한 원자핵 한개가 더 안정된 상태로 가기 위해 다른 원자핵이 되는 과정. 방사선을 방출. (특별한 조건 없이) 스스로 발생.

(예) 알파 붕괴, 베타 붕괴, 자발적으로 발생하므로 '반감기'란 개념 적용 가능. 개별 원자핵에 대해서는 방사성붕괴가 언제 일어날지 예측할 수 없어도(stochasitc/random process), 일정 규모 이상의 원자핵의 집합체에 대해서는 높은 정확도로 예측이 가능함. 

2. 핵분열(nuclear fission)

 중성자와 충돌시 원자핵 하나가 복수개의 더 가벼운 원자핵들이 되는 반응(위 그래프 상에서 철Fe에서 오른쪽 끝 U235, U238까지). 중성자들과 에너지(복사,열) 방출. 다량의 중성자가 고속으로 운동하는 환경이 필요(초신성 폭발과 같은).

예) 원자폭탄, 원자력 발전, 일반적인 상황에서는 발생하지 않으며, 인위적으로 핵분열이 지속되도록 한 것이 원자력 발전(핵 연쇄 반응 Nuclear chain reaction).

3. 핵융합(nuclear fusion)

 복수 원자핵들이 융합되어 더 무거운 원자핵이 되는 반응(그래프 상에서 왼쪽에서 철Fe까지). 질량손실이 에너지로 방출. 양성을 띤 원자핵들이 결합되어야 하므로 고온,고압이 필요 

예)별 내부, 수소폭탄.

https://earthobservatory.sg/earth-science-education/earth-science-faqs/geology-and-tectonics/why-is-the-interior-of-the-earth-hot

Why is the interior of the Earth hot?

The interior of Earth is very hot (the temperature of the core reaches more than 5,000 degrees Celsius) for two main reasons:

1) The heat from when the planet formed,
2) The heat from the decay of radioactive elements.
The Earth was formed by the process of accretion(응축, 태양계는 초기 우주먼지가 중력에 의해서 원반형태로 회전하면서 뭉쳐지는 현상 - 응축 - 에 의해 생성됨). After the creation of our solar system, meteorites gravitationally attracted each other and formed bigger objects, which attracted bigger masses, until our planets reach their current size. This process accumulated a lot of heat; when two objects collide, heat is generated. That is why your hands will get hot when you clap them for too long, or a nail gets very hot when you hammer it for a long time. This heat has not dissipated totally and represents about 10% of the total heat inside the Earth.

The main source of heat is the decay of radioactive elements. Radioactive decay is a natural process; unstable elements like 238U (Uranium) or 40K (Potassium) stabilise with time and produce what we call daughter products: 206P (Lead) for Uranium and 40Ar (Argon) for Potassium. This process produces heat, which represents about 90% of the total heat inside the Earth.