세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 핵물리학 — 핵이 어떻게 막대한 에너지를 내는가
통합과학2 · 에너지 · 원자력공학
책 소개
물리학자 정완상이 핵물리학이 탄생한 과정을 노벨상 수상자들의 원논문을 따라가며 풀어내는 책입니다. 러더퍼드가 원자핵을 발견한 일에서 시작해, 핵이 어떻게 양성자와 중성자로 이루어졌고 어떻게 결합하거나 분열하는지를 발견 순서대로 짚어 갑니다. 핵분열로 건너뛰지 않고 핵이 에너지를 내는 까닭을 단계마다 쌓아 가기 때문에, 처음 접하는 학생도 원리를 차근차근 따라갈 수 있습니다. 원자력공학을 진로로 생각하는 학생이 '핵은 어떻게 그렇게 큰 에너지를 내는가'라는 의문으로 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책은 원자핵을 발견한 러더퍼드의 실험에서 출발해, 핵을 이루는 양성자와 중성자, 그리고 이들을 묶어 두는 힘을 차례로 설명합니다. 핵은 양성자와 중성자가 강한 힘으로 결합한 덩어리인데, 무거운 핵이 둘로 쪼개지거나 가벼운 핵이 하나로 합쳐질 때 그 결합 상태가 바뀌면서 에너지가 방출됩니다.
저자는 이 과정에서 사라진 아주 작은 질량이 아인슈타인의 E=mc²에 따라 막대한 에너지로 바뀐다는 점을, 핵분열과 핵융합 두 경우로 나누어 보여 줍니다. 핵이 단지 작은 알갱이가 아니라 거대한 에너지를 품은 구조라는 사실을, 발견의 역사를 따라가며 설명합니다.
통합과학에서는 우리가 쓰는 에너지가 어디에서 오는지를 다룹니다. 태양이 내는 막대한 에너지는 태양 중심부에서 일어나는 수소 핵융합으로 만들어지는데, 이는 가벼운 수소 원자핵들이 하나로 합쳐져 더 무거운 헬륨 원자핵이 되는 반응입니다.
이렇게 만들어진 태양 에너지는 빛으로 지구에 도달한 뒤 여러 형태로 모습을 바꿉니다. 식물은 광합성으로 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸고, 우리가 쓰는 화석 연료도 결국 오래전 태양 에너지가 저장된 형태입니다. 이처럼 에너지는 새로 생기거나 사라지지 않고 형태만 바뀌며, 발전은 이 에너지의 형태를 전기로 바꾸는 과정입니다.
핵이 결합하고 분열할 때 나오는 에너지는 우리가 쓰는 전기와 어떻게 연결될까요? 통합과학에서 배우는 핵융합과 에너지 전환에서 그 실마리를 찾을 수 있습니다.
태양이 빛나는 까닭은 중심부에서 수소 핵융합이 일어나 핵이 합쳐질 때 큰 에너지가 방출되기 때문입니다. 원자력 발전은 방향이 반대인데, 우라늄처럼 무거운 핵이 둘로 쪼개지는 핵분열에서 에너지를 얻습니다. ==핵융합이든 핵분열이든 핵의 결합 상태가 바뀌면서 줄어든 아주 작은 질량이 E=mc²에 따라 큰 에너지로 바뀐다는 점은 같습니다.== 발전소에서는 이렇게 나온 에너지로 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기가 터빈을 돌려 전기를 만듭니다. 결국 핵에서 나온 에너지가 열에너지를 거쳐 전기 에너지로 모습을 바꾸는 셈이고, 원자력공학은 이 과정을 안전하게 다루는 학문입니다. 핵분열로 전기를 얻는 구체적인 방식은 교과를 넘어선 응용 영역이라, 핵이 에너지를 내는 원리를 먼저 이해한 뒤 그 위에서 살펴보면 좋습니다.
핵이 에너지를 내는 까닭은 핵 안에서 양성자와 중성자가 결합한 상태가 변하기 때문입니다. 양성자와 중성자는 강한 힘으로 서로 묶여 있는데, 이 결합을 끊어 흩어 놓는 데는 에너지가 필요하고, 반대로 결합이 더 단단해지는 쪽으로 변하면 그만큼 에너지가 밖으로 나옵니다.
핵의 종류마다 양성자와 중성자가 얼마나 단단히 묶여 있는지가 다른데, 중간 정도 무게의 핵이 가장 안정합니다. 그래서 우라늄처럼 무거운 핵은 둘로 쪼개져 더 안정한 핵이 되려 하고, 수소처럼 가벼운 핵은 하나로 합쳐져 더 안정한 핵이 되려 합니다. 두 경우 모두 변화 전후의 질량을 재 보면 아주 조금 줄어 있는데, 이 사라진 질량이 E=mc²에 따라 에너지로 나타납니다.
c는 빛의 속도로 매우 큰 값이라, 줄어든 질량이 눈에 띄지 않을 만큼 작아도 그것을 제곱한 c²을 곱하면 막대한 에너지가 됩니다. 이 책에서 본 핵의 결합과 분열을 출발점 삼아, 핵분열과 핵융합 중 어느 쪽이 원자력 발전과 태양 에너지에 각각 쓰이는지 찾아보고, 같은 원리가 어떻게 정반대 방향으로 에너지를 내는지를 탐구할 수 있습니다.