1.1.4 결합에너지 (2) [원자력기사]

1.1.4.2    핵자당 결합에너지

핵자당 결합에너지의 정의는 원자핵의 결합에너지를 질량수로 나누는 것이다. 

기본적으로 결합에너지가 클수록 원자핵의 안정성은 증가한다. 

그러나 원자 번호가 다른 각 원소들의 원자핵의 안정성은 결합에너지로 단순하고 직접적으로 비교할 수 없으므로, 핵자 각각이 가지고 있는 핵자당 결합에너지를 비교하여 안정성을 상대적으로 비교할 수 있다. 

즉, 핵자당 결합에너지가 클수록 핵자들은 더 강한 힘으로 결합되어 있다. 그림 1-4의 핵자당 결합에너지 그래프를 보면 질량수 56번인 Fe가 최대치의 핵자당 결합에너지(약 8.7Mev)를 가지고 있다.

그림 1-4 핵자당 결합에너지

 

그림 1-4를 보면 몇몇 사실을 알 수 있다. 

원소들은 안정된 상태를 가지려 하므로 원소들의 분열 또는 융합으로 핵자당 결합에너지가 큰 방향으로 변화할 것이다. 

따라서 Fe 보다 질량수가 작은 원소들은 융합하면서 질량수가 증가 되면 안정화 될 것이며, Fe 보다 질량수가 훨씬 큰 원소들은 분열하면서 안정한 핵종으로 변화할 것이다. 

이는 원소의 핵분열 또는 핵융합을 결정하는 중요한 인자이다.

---

예제 3 (2009년 원자력기사 기출)

원자핵의 결합에너지에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

① 원자핵을 구성하는 핵자들을 따로 분리하는데 필요한 에너지 이다.

② 원자핵의 질량결손에 해당하는 에너지 이다.

③ 핵자당 결합에너지가 클수록 안정된 원자핵이다.

④ 모든 원자핵의 핵자당 결합에너지는 동일하다.

 

정답) ④

그림 1-4에서 보는 바와 같이 각 원자별 핵자당 결합에너지는 다르며, Fe-56에서 가장 큰 힘을 갖는다.

예제 4 (2014년 원자력기사 기출)

다음중 원자핵의 결합에너지에 대한 다음 설명 중 맞는 것은?

① 원자핵의 결합에너지는 원자핵 주변을 돌고 있는 전자가 원자핵과 결합함으로써 가지고 있는 에너지이다.

② 중수소 원자핵을 구성하고 있는 양자와 중성자를 분리하게 되면 중수소 원자핵의 결합에너지 만큼의 에너지가 방출된다.

③ 원자핵의 핵자당 결합에너지는 질량수(A)가 60~80 근처에서 가장 크다

④핵융합 반응에서 에너지가 생성되는 이유는 반응 전 원자핵들의 결합에너지의 합이 반응 후 원자핵의 결합에너지보다 더 크기 때문이다.

 

정답) ④

그림 1-4에서 보는 바와 같이 각 원자별 핵자당 결합에너지는 다르며, Fe-56에서 가장 큰 힘을 갖는다.

예제 5 (2014년 원자력기사 기출)

U-235가 핵분열 하여 두 개의 Pb-119가 생성되었다. 이 핵분열 반응에 의해 방출되는 에너지는 얼마인가? 단, U-233및 Pb-119의 핵자당 평균 결합에너지는 각각 7.5MeV와 8.4MeV 이다.

① 199 Mev

② 204 Mev

③ 209 Mev

④ 214 Mev

 

정답) ④

우라늄-238의 모든 에너지와 생성된 납-119 두 개의 에너지 차이만큼이 에너지로 방출될 것이다. 이때 문제에서 주어진 핵자당 에너지는 원자핵의 결합에너지를 질량수로 나눈 것이다. 따라서 우라늄의 에너지는 238 × 7.5 = 1785Mev이며, 납 1개의 에너지는 119 × 8.4 = 999.6Mev이다. 따라서 전체 에너지 차이는 (999.6×2) - 1785 = 214.2 Mve 이다.

예제 6 (2016년 원자력기사 기출)

결합에너지(Binding Energy)에 대한 정의로 맞는 것은?

① 핵을 양자와 중성자로 분리시키는데 필요한 에너지

② 핵자들을 서로 완전히 분리시키는데 필요한 에너지

③ 핵분열반응을 일으키기 위해 외부에서 가해주어야 하는 최소한의 에너지

④ 양자와 중성자를 결합시켜 하나의 핵을 만드는데 필요한 에너지

 

정답) ②

결합에너지의 정의는 1.4.1절에 설명한 결합에너지의 특성을 알고 있으면 해결할 수 있는 문제이다. 결합에너지의 특성은 다음과 같다.

 ▶ 결합에너지 질량결손으로 발생되는 에너지이다.

▶ 결합에너지는 안정된 핵을 형성한 후 방출하는 에너지 이다.

▶ 결합에너지는 핵을 각 구성 입자로 분리시키는데 필요한 에너지이다.

▶ 결합에너지는 핵의 안정성을 나타내는 에너지이다.

---