핵분열 연쇄반응

실험목적

핵이 분열하면서 나오는 중성자가 다른 핵을 분열시켜서 급격하게 전체적인 핵이 분열하게 되는 연쇄반응의 과정을 알아본다.

이론

안정된 핵

핵은 양성자, 중성자 (이를 통칭하여 핵자라 한다)들 서로간의 핵력(강한상호작용)에 의하여 강하게 결합되어 있다. 핵력은 매우 강하지만 힘이 미치는 범위는 한정되어 인접한 핵자에만 미친다. 마치 찰기가 있는 핵들이 서로 붙어서 주먹밥을 만들고 있는 양상과 비슷하다. 그러나 양성자, 중성자는 핵력의 입장에서는 서로 구분되지 않지만, 양성자는 양(+)전하를 띄고 있어 양성자끼리는 정전기적 반발력이 작용하고 있다. 이 정전기적 반발력은 핵력에 비하여 가까운 거리에서는 핵력에 의한 인력이 훨씬 커서 무시할 수 있지만, 조금 멀리 떨어지면 핵력은 급격하게 줄어들게 되므로 이 반발력은 주된 힘이 된다.

이렇게 핵력의 인력과 전자기적인 반발력, 또한 한 상태에 이들 핵자가 하나밖에 있을 수 없다는 배타원리등의 제한에 의해 핵을 구성할 수 있는 양성자, 중성자의 조합이 특별한 경우에만 안정된 원자핵을 구성할 수 있게 된다.

1. 양성자, 중성자를 분간하지 않고 가까운 거리(거의 두 개가 붙어 있을 때)에 강한 인력으로 작용하는 핵력,

2. 양성자의 양(+)전하에 의해서 약하나 멀리까지 미치는 서로간의 반발력으로 작용하는 전자기력,

3. 한 상태에 1개의 입자만 허용하는 배타율

위 세가지 효과에 의해 대체로 안정된 핵의 조건은 다음과 같다.

1. 양성자의 갯수의 제한이 있다. (우라늄의 경우인 92개의 양성자가 자연에 존재하는 핵의 가장 큰 값)

2. 양성자의 갯수와 중성자의 갯수는 거의 비슷하나 갯수가 많아 질수록 중성자의 비율이 높아진다.

핵자당 결합에너지가 커서 가장 안정된 상태로 있을 수 있는 원자는 핵자수(질량수) 50 부근이다. 이보다 더 큰 질량수의 핵은 분열하여 더 안정된 상태로 가려 하는 경향이 있고, 더 작은 잘량수의 핵은 몇 개가 뭉칠려고 하는 경향이 있다.