핵분열

핵분열의 발견과 이를 이용한 폭탄의 제조

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리제 마이트너(Lise Meitner, 1878-1968)_ 오스트리아 빈 태생의 핵물리학자로 1938년 오토 한(Otto Hahn)과 슈트라스만(Fritz Strassmann)이 중성자로 우라늄을 타격해서 만들어진 생성핵이 우라늄이 둘로 분열한 것임을 규명하였다. 마이트너의 업적은 오토 한과 더불어 공동으로 노벨상을 수상하기에 충분하였지만 여러 복합적인 이유로 1944년 노벨화학상은 오토 한이 단독으로 수상하였다. 사후 1997년 원자번호 109의 원소를 그녀의 이름을 딴 마이트네륨으로 명명하여 어느 정도 아쉬움이 보상되었다.

중성자를 이용한 핵반응으로 $E=mc^2$이 구현되다.

1932년 채드윅에 의해 중성자가 발견되어 $X(x,y)Y$ 형태의 핵반응의 타격입자로 이용되기 시작했다. 중성자는 핵에 쉽게 포획될 수 있어서 더 다양한 반응이 이루어질 수 있게 되었다. 특히 페르미는 느린 중성자가 핵과 더 효율적으로 반응한다는 것을 알았다. 실제로 페르미는 다른 뛰어난 업적들이 많았지만 이러한 느린 중성자에 의한 핵반응으로 1938년 노벨물리학상을 수상하게 되었다. 페르미가 행한 실험 중에는 토륨이나 우라늄이 느린 중성자에 의해 다른 핵으로 만들어지는 것도 있는 데 뒤에 가서 이때의 생성핵이 토륨이나 우라늄이 분열한 것으로 판명되었다. 새로운 핵이 생겨난 것을 정확하게 규명하기 위해서는 생성핵을 화학적으로 확인하는 작업이 필요한 데 당시로서는 까다로운 작업이었다.

이전의 많은 핵반응 실험에서 어쩌면 핵분열이 이루어지기도 했겠지만 생성핵을 분석해서 우라늄이 거의 비슷한 질량을 가진 핵 둘로 분열된 것을 실증한 것은 오토 한(Otto Hahn), 슈트라스만(F. Strassmann)이다. 이들은 모두 독일의 화학자로서 여느 핵반응처럼 우라늄이 라듐으로 변환된 것으로 판단하였으나 이들과 오랜기간 공동연구를 해 왔던 마이트너(Lise Meitner)는 계산결과 이러한 반응이 불가능하다는 것을 보였다. 마이트너는 중성자가 우라늄을 둘로 쪼개지게 했다는 것을 확신하였다. 실제 이들 생성물질 중에는 바륨이 존재하는 것이 확인되었다. 마이트너는 그녀의 조카 프리쉬(O. R. Frisch)와 함께 제출한 논문에서 이렇게 새로 발견된 현상에 대해서 'nuclear fission(핵분열)'이라고 명명하였다. 처음에는 '파열(Zerplatzen)'이라고 할까 하였으나 이처럼 결정한 것은 이 현상이 생물학에서 단세포 생물의 분열(fission)과 상당히 비슷했기 때문이다. 그러나 오토 한과 슈트라스만이 작성한 실험결과에 대한 논문에서는 마이트너가 공저자에서 빠지게 되었다. 이는 마침 공동연구를 수행하던 마이트너가 유태인으로 나찌의 박해를 피해서 독일에서 스웨덴으로 옮겼기 때문으로 볼 수도 있지만 오토 한이 다분히 의도적으로 배제한 것으로도 보인다. 2차세계대전으로 한 해 늦어져서 1945년에 결정된 1944년의 노벨화학상은 오토 한이 단독수상하였고, 이는 마이트너에게는 애석한 일로 두고두고 사람들 입에 오르내렸다. 마이트너의 사후 109번 원소를 그녀의 이름을 기려 마이트네륨(meitnerium)으로 부르기로 하였다.

한편 1938년 말과 1939년 초에 일어난 이들의 연구내용은 세계적으로 즉각 알려지고, 또한 대단한 반향을 불러 일으켰다. 이는 핵분열에서 방출되는 에너지가 이 반응에서의 질량결손이 에너지로 바뀐 것으로 일반 화학반응에 비해서 백만배 정도로 위력이 컸기 때문이다. 이처럼 막대한 에너지가 방출되어 가공할 만한 위력을 가지는 폭탄으로 개발되면 아인슈타인의 표현대로 '이러한 형태의 폭탄 한 발을 배에 싣고 항구에서 폭발시키면 그 항구는 물론 그 주변도 모두 파괴할 수 있을 정도'의 위력을 가지기 때문이다. 당시에는 독일의 히틀러가 이미 오스트리아를 합병하여 실질적으로 침략전쟁이 시작되었고, 이것이 세계대전으로 확전되는 것은 불을 보듯이 뻔한 상황이었다. 1939년 8월 아인슈타인은 미국 대통령 루즈벨트에게 편지를 보내서 독일에 의해 핵분열이 폭탄으로 제조되어 악용되는 가능성과, 핵분열에 대한 연구를 미국이 주도해서 대비해야 한다고 지적하였다. 그리고 1939년 9월 독일이 폴란드를 침공하여 세계2차대전이 시작되고, 일본에 의해 1941년 12월 진주만 공격을 당한 미국도 전쟁에 가담하게 되었다. 미국은 이어서 아인슈타인의 제안을 받아들여서 맨해튼 계획(Manhattan project)을 세우고 실제로 핵분열의 폭탄, 즉 원자폭탄 제조할 수 있었다.

_ 아인슈타인_ 원자폭탄_ 페르미_ 핵반응_ 중성자_ 채드윅

연쇄반응

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핵 에너지(nuclear energy)_페르미가 최초로 시카고 대학에 완성한 원자로를 기념해서 세운 조각품 "핵 에너지"로 무어(H. Moore)의 작품이다.

꼬리에 꼬리를 물고 반응이 일어난다.

앞에서 핵분열물질로 예를 든 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$은 비록 그것이 핵분열하여 막대한 에너지를 방출할 수 있긴 하지만 외부의 자극없이 반응이 일어날 확률은 매우 작다. 외부에서 중성자가 공급되지 않는 환경에서 $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$의 원자 1g중 매 1초당 0.0003개의 원자핵이 분열할 뿐이다. ($^{235}_{~~92}\mathrm{U}$은 통상의 알파붕괴로 붕괴하는 반감기는 7.13억 년이다)

$^{235}_{~~92}\mathrm{U}$이 자발적으로 분열하여 방출한 중성자 2~3개중 1개 이상이 주변의 다른 $\mathrm{U}$에 흡수될 수만 있다면 분열의 반응은 꼬리에 꼬리를 물고 지속될 수 있을 것이다. 만일 2개가 평균적으로 흡수된다면 다음 세대에서는 2개, 그 다음 세대에서는 4개, 8개, ... 이런 방식으로 그 분열핵의 수가 기하급수적으로 증가하는 반응을 연쇄반응이라 한다.

핵분열에서 방출되는 원래의 중성자는 그 속도가 빨라서 주변에 흡수될 확률이 작다. 중성자가 주변의 원자핵에 흡수될 확률을 높이기 위해서는 중성자의 속도를 느리게 하여 원자핵에 흡수될 확률을 높여야 한다. 중성자의 속도를 조절하거나 중성자를 흡수시켜서 핵분열을 제어할 수 있도록 하여 에너지를 이용하게 하는 장치를 원자로라고 한다.

한편 이러한 특별한 제어장치가 없더라도 분열물질이 일정한 질량이상 모이게 되면 내부의 중성자가 바깥으로 탈출하기 이전에 다른 핵에 흡수되어 버린다. 자발적으로 핵분열을 하는 경계의 질량을 임계질량(critical mass)이라 한다. 임계질량은 분열물질의 종류나 순도, 밀집상태에 따라 다르지만 우라늄의 경우 보통 수 kg이다. $^{235}_{~~92}\mathrm{U}$을 임계질량 이상으로 한 덩어리 상태에 두면 즉시 연쇄반응이 일어나 폭발해 버린다.

_ 알파붕괴_ 페르미_ 반감기_ 중성자_ 순도