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공학기초화학 강의노트 제 19장 19. 1
Chapter 19
핵반응Nuclear Reactions
공학기초화학 강의노트 제 19장 19. 2
Ø미리 알아야 할것Ø 2.1 원자와 원자론Ø 2.2 원자의 구성요소Ø 11장 반응속도론(1차반응의 속도)
Ø무엇을 배우나Ø방사성과 방사성 동위원소이란Ø방사성붕괴속도Ø질량과 에너지의 관계Ø핵분열과 핵융합
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Structure of Atom
ΑΖ X
원자번호(양성자수)
질량수(양성자수+중성자수)
양성자 :전하 +1, 질량 1.00728중성자 : 전하 0, 질량 1.00867전자 : 전하 –1, 질량 0.00055
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19.1 방사성(Radioactivity)
Ø 방사성동위원소는… .
Ø자연적 방사능
Ø 유도방사능
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Mode of Decay(붕괴방식)
α(alpha), β(beta), γ(gamma) radiation 방사
Ø α 입자방사(α decay)
U → He + Th
Ø β 입자방사(β decay)
Th → Pa + e
Ø γ 선 방사(γ decay) : 에너지가 큰 광자
23892
42
23490
23490
23491
0–1
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Mode of Decay
양전자방사(positron decay )
C → B + e
K-전자 포획(K– electron capture)
C + e → B
양전자 방사와 K-전자포획은 너무 적은 중성자를 가지고 있을 경우
일어남
116
115
01
116
0–1
115
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Bombardment Reaction(충격반응)
안정한 핵에 에너지가 큰 입자 (neutron, 전자, 양전자, α입자....)로 폭격하면 불안정한 방사성 핵이 생긴다.
Al + n → Al → Si + e2713
10
2813
2814
0–1
05227
n1
P +30
He →4
Al +13
1145
e0
Si + 30
P →30
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Ø응용•의학•화학분석•상업적응용
•화재경보기•살균처리
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19.2 Rate of Radioactive Decay(방사성 붕괴속도)
Ø 1차반응의 속도속도=-(dX/dt) = kX-dX/X=kdt- ln X]X0
X = kt]0t
1n (X0 / X) = kt; k = 0.693 / t1/ 2
Ø Activity(활동도)
Ø 유기물질의 나이
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활동도(Activity)
활동도 = A = -(dN/dt) = kN
N = 시료 중 방사성 원자의 수, k = 속도상수
1n (N / N0) = -kt : N = Ni e-kt
단위 : 단위시간당 붕괴되는 원자의 수, 혹은 큐리–1 Bq = 1 원자/초–1 Ci= 3.700 × 1010 원자/초
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계산의 예)
1 mg Ra 시료의 활동도 계산
Ra-226, k = 1.37 × 10–11/s.
N = 1.00 × 10–3 g × × 6.022 × 1023 atoms/mol
= 2.66 × 1018 atoms
rate = 1.37 × 10–11/s × 2.66 × 1018 atoms = 3.64 × 107 atoms/s
» 1 millicurie
1 mol226 g
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Age of Organic Materials
C–14 함량의 측정
N + n → C + H
C → N + e ; t1/ 2 = 5730 yr
살아있는 식물과 동물에는 두 가지 과정이 평형을 이루고 있어
C–14 함량이 일정 : 동식물이 죽으면 첫번째 과정은 멈추고
C–14 함량이 줄어듦.
14
7
1
0
14
6
1
1
14
6
14
7
0
–1
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계산의 예
‘튜린의 수의’조각의 C-14 함량이 살아있는 식물의0.930배라면 이 수의의 나이는?
k = 0.693/5730 yr = 1.21 × 10–4 yr
1n 1/0.930 = (1.21 × 10–4)·t ; t = 600 yr
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19.3 Mass Energy Relations(질량과 에너지의 관계)
Ø∆E 과 m 의 관계
E = mc2 : ∆E = c2∆m
∆E = (3.0 × 108 m/s)2∆m = (9.0 × 1016) (m2/s2) ∆m
∆E (J) = (9.0 × 1016) (m2/s2) ∆m (kg) ∆E (kJ) = (9.0 × 1016)∆m(g)(1kJ/1000J)(1kg/1000g)
= (9.0 × 1010)∆m (g)
1 J = 1 kg·m2/s2 : 1 m2/s2 = 1J/kg
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계산
Pu → He + U
∆m /mole = 234.9934 g + 4.0015 g – 239.0006 g = –0.0057
∆E /mole = – 0.0057 g × 9.0 × 1010 kJ/g = –5.1 × 108 kJ
∆E /g = = –2.1 × 106 kJ/g
일반적인 화학반응의 최대 반응열 50 kJ/g!!
239
94
4
2
235
92
–5.1 × 108 kJ239 g
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Nuclear Binding Energy
질량결손(Mass Defect) = (중성자 + 양성자) 의질량 – 핵의 질량
C: 6×1.00867 g/mol +6×1.00728 g/mol) – 11.99671 g/mol = 0.09899 g/mol
핵의 결합에너지 = 9.00 × 1010 kJ/g × 0.09899 g/mol= 8.91 × 109
kJ/mol(Binding energy) = 8.42 × 108 kJ/mol핵자
Li : 9.00 × 1010 kJ/g × 0.03437 g/mol = 3.09 × 109 kJ/mol : 5.15 ×108 kJ/mol
Be : 9.00 × 1010 kJ/g × 0.0642 g/mol = 5.62 × 109 kJ/mol : 6.24 ×108 kJ/mol
12
6
6
3
9
4
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핵의 안정도에 대한 척도:결합에너지(Binding energy)
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19.4 Nuclear Fission (핵분열)
U + n → Rb + Cs + 2 n235
92
1
0
90
37
144
55
1
0
→ Br + La + 3 n87
35
146
57
1
0
→ Zn + Sm + 4 n72
30
160
62
1
0
공학기초화학 강의노트 제 19장 19. 19
핵분열의 특징•다양한 동위원소 생성
•소비되는 것보다 더 많은 중성자 생성되어 연쇄반응(chain reaction)을 일으킴 : “critical mass”
cf) 원자로에서 과량의 중성자는 카드뮴막대에 의해 흡수됨.
• 너무 많은 중성자를 생산하는 핵은 심한 방사성원소임 :
Rb → e + Sr
90
38
0
–1
90
39
90
37
0
–1
90
38
90
39
0
–1
90
40
Sr → e + Y
Y → e + Zr
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Nuclear Reactorsex) 가압수형 원자로 : 경수로
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19.5 Nuclear Fusion (핵융합)
2 H → He ; ∆m = –0.02560 g ; ∆E = – 2.3 × 109 kJ
per gram: ∆E = = – 5.7 × 108 kJ/g
cf) U-235 (1g) = 8.2 × 107 kJ/g, P-239 (1g) = –2.1 × 106 kJ/g
– ∆E(/g) 은 핵분열의 10배, 방사성의 200배. – 두 중수소의 원자핵간의 반발로 인해 활성화에너지가높아서 융합에 필요한 온도는 10억 °C정도임(v=106m/s)
–2.3 × 109 kJ4.0 g
2
1
4
2
