1.1.5 질량-에너지 보존 원리 [원자력기사]

1.1.5    질량-에너지 보존 원리

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고전 물리에서는 에너지 보존과 질량 보존을 분리하여 다루었다. 

독립적으로 격리된 시스템에서는 전체 에너지가 항상 일정하다는 것이 에너지보존법칙이다. 

즉, 에너지는 갑자기 생기거나 사라지지 않으며, 항상 보존된다는 의미이다. 

대신에 에너지는 다른 형태의 에너지로 변환이 가능하다. 

예를 들어 줄어드는 운동에너지만큼 열에너지가 생기게 되면 전체 에너지는 일정하게 보존될 수 있다. 

그리고 질량보존법칙은 이와 별도로 반응 전후에 전체 질량이 보존됨을 의미한다.

 

과거에는 에너지 보존법칙과 질량 보존법칙이 서로 다른 개념으로 여겨졌으므로, 1.3절에서 설명한 질량결손을 설명할 수 없었다. 

이후 아인슈타인의 특수상대성이론을 기반으로 한 에너지와 질량의 관계식이 알려진 이후에는 에너지와 질량이 서로 연관되어 에너지-질량이 보존됨이 밝혀졌다.

 

특수상대성이론에서는 질량이 에너지와 동등하므로 질량에너지가 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있다. 

핵융합 또는 핵분열과 같이 핵의 종류가 변하는 핵반응 전후에는 질량은 보존되지 않지만 전체 에너지는 보존된다. 

따라서 핵반응 전후의 질량 차이에 해당하는 에너지가 방출될 수 있다. 

태양에서는 핵융합 반응 전후의 질량 차이에 해당하는 에너지가 방출되고, 원자력발전소에서는 핵분열 반응 전후의 질량 차이에 해당하는 에너지를 발전에 사용한다.

 

입자 내부에서 핵에너지를 가지고 있는 원자핵이 핵융합 또는 핵분열 반응이 발생하면 결합에너지가 바뀌고, 이로 인해 질량 결손이 발생하면서 외부로 에너지가 방출된다. 

하지만 전체 반응에서 원자핵 내부에 존재하는 양성자와 중성자의 총 개수는 변하지 않는다. 

이를 질량수 보존 법칙이라고 한다. 

예를 들면, 우라늄과 중성자가 반응하여 2개의 원자와 3개의 중성자로 변하는 핵분열에서 전체 질량수를 비교해 보면 보존됨을 알수 있다.

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예제 1 (2010년 원자력기사 기출)

다음 중 핵반응에서 보존되지 않는 것은?

① 반응전, 후 질량

② 반응전, 후 전하량

③ 반응전, 후 핵자수

④ 반응전, 후 운동량

 

정답) ①

특수상대성이론에서는 질량이 에너지와 동등하므로, 핵융합 또는 핵분열과 같이 핵의 종류가 변하는 핵반응 전후에는 질량은 보존되지 않지만 에너지는 보존된다. 즉, 질량은 다른 형태로 변화될 수 있다(질량보존법칙 적용 안되어 질량이 결합에너지로 변함). 그 외 전하량, 핵자수, 운동량은 보존된다.

예제 2 (2014년 원자력기사 기출)

다음 설명중 틀린 것은?

① 핵반응 전,후 핵자수는 보존된다.

② 핵반응 전,후 전하량은 보존된다.

③ 핵반응 전,후 운동량은 보존된다.

④ 핵반응 전,후 운동에너지는 보존된다.

 

정답) ④

운동량(Momentum)과 운동에너지(Kinetic Energy)는 다른 개념이니 실수하지 않도록 주의해야 한다. 운동량은 물체의 질량과 속도의 곱으로 정의된다. 그리고 운동량 보존은 속도가 다른 두 물체가 충돌할 때, 충돌전 운동량의 합과 충돌 후 두물체의 운동량은 같다는 것을 의미한다.

운동에너지는 움직이는 물체가 가지고 있는 에너지이다. 따라서 비탄성 산란을 할 경우 충돌 전후 운동에너지가 달라진다.

예제 3 (2014년 원자력기사 기출)

핵반응에 대한 보존법칙과 관련 없는 것은?

① 핵자수 보존

② 전하량 보존

③ 운동량 보존

④ 운동에너지 보존

 

정답) ④

운동량(Momentum)과 운동에너지(Kinetic Energy)는 다른 개념이니 실수하지 않도록 주의해야 한다. 운동량은 물체의 질량과 속도의 곱으로 정의된다. 그리고 운동량 보존은 속도가 다른 두 물체가 충돌할 때, 충돌전 운동량의 합과 충돌 후 두물체의 운동량은 같다는 것을 의미한다.

운동에너지는 움직이는 물체가 가지고 있는 에너지이다. 따라서 비탄성 산란을 할 경우 충돌 전후 운동에너지가 달라진다.

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