태양에너지의 기원

태양에너지의 기원에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다. 태양에너지의 출발은 핵 융합입니다. 태양중시부에서 양성자-양성자 연쇄반응을 통해 행융합이 일어나고 태양보다 더 질량이 큰 별 중심부에서는 CNO 순환을 통한 핵융합 반응이 일어납니다. 이러한 핵융합 과정에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.

태양에너지

 

태양의 핵융합 (양성자+양성자)

태양의 핵융합(양성자+ 양성자)에 대해 알아보겠습니다별 질량의 70퍼센트 이상은 수소입니다. 태양의 표면 온도는 5800도이고 적색거성의 표면 온도는 약 3000도입니다. 별 중심부 온도는 1000만 도에서 수억 도에 이르므로 별을 구성하는 수소 원자의 전자는 대부분 자유전자가 되어 양성자와 분리되어 있습니다.

 

 

 

그래서 별은 양성자와 전자가 서로 구속하지 않아 자유롭게 운동하는 플라스마 상태입니다. 태양의 중심은 1000만도 정도이며, 따라서 고밀도의 양성자들이 매우 높은 속도로 열운동을 하고 있습니다.

.빠른 속도로 마주 오는 2개의 양성자가 서로 가까워지면, 같은 전하 사이의 정전기적 반발력으로 튕겨 나갑니다. 별의 중심부 온도가 1000만 도 이상이면 양성자의 운동 속도가 매우 빠르기 때문에 양성자는  원자핵 크기 보다 서로 더 가까이 접근하게 됩니다. 이때  전기적 반발력보다 서로 당기는 핵력이 더 강해져 두 양성자가 핵력으로 결합하여 P + P → ²H + e⁺+ V_e 과정이 일어납니다.

 

여기서 P는 양성자이며,  ²H에서 H는 수소 원자핵인 양성자 1개를 표시하는데 2는 질량이 양성자의 거의 두 배라는 의미입니다.중성자 1개와 양성자 1개로 된  ²H 는 중수소의 핵이 됩니다. 2개의 양성자가 충돌해 융합하는 과정에서 1개의 양성자가 베타붕괴해 양성자가 중성자로 변환되면서 반전자  e⁺ 와 전자 중성미자 V_e 를 방출합니다.  핵력은 전자기력보다 약 100배나 더 강합니다.

 

양성자와 양성자의 핵융합으로 태양에너지의 대부분이 생성되지만 이 확율이  매우 낮아서 태양은 100억년 정도 에너지를 방출 할 수 있습니다.중수소 ²H와 또 하나의 양성자 P가 융합하여 ²H + P → ³He +  ɣ  의 두 번째 단계의 핵융합이 일어납니다.  ³He는 중성자 1개와 양성자 2개로 형성된 헬륨 동위원소의 핵이며,  ɣ는 전자기파에서 파장이 가장 짧고 에너지가 가장 높은 감마파  광자입니다. 태양 핵융합의 세 번째 단계는 2개의 헬륨 동위 원소핵  ³He의 융합 과정입니다. (³He + ³He → ⁴He + 2p). ⁴He는 양성자 2개와 중성자 2개로 된 헬륨 원자핵이며 알파입자라 합니다.

태양 중심부의 핵융합은 세 단계 과정을 거칩니다. 첫 단계에서 방출되는 반전자는 전하의 부호가  +인 전자로 전자의 반입자입니다. 두 번째 단계에서 방출되는 감마파 광자는 태양 중심에서 표면으로 진행하는 과정에서 태양 구성 입자들과 충돌하면서 에너지를 잃어 태양 표면에 도달했을 때 가시광선과 자외선이 됩니다. 태양중심에서 출발한 광자가 태양  표면에 도달하기 까지는 무수한 충돌 과정을 거쳐 대략 100만 년 이상의 시간이 소요됩니다.  태양의 핵 융합 과정도 전자, 광자, 양성자의 이야기 입니다.

 

별의 핵융합 (CNO 순환)

별의 핵융합(cno순환)은 태양에서는 양성자와 양성자의 핵융합 과정을 거쳐 에너지가 만들어집니다. 질량이 태양보다 큰 별은 탄소, 질소, 산소 원자의 촉매 작용에 의한 핵 변환으로 에너지를 만듭니다. 태양보다 질량이 큰 별 속에는 탄소, 질소, 산소의 원자핵이 존재하는데, 이것들과 양성자의 핵융합이 일어납니다. 이 과정을 CNO 순환이라 합니다. CNO 순환의 첫 단계는 탄소-12(¹²C)의 원자핵과 양성자(P)의 핵융합인 ¹²C+P → ¹³N+ ɣ 과정입니다.

 

¹²C 원자핵은 양성자 6개와 중성자 6개이며, 질소 -13(¹³N)의 원자핵은 양성자 7개와 중성자 6개로 구성됩니다 . ɣ는 핵융합 과정에서 방출되는 감마파 광자입니다. 이 핵융합 과정에서도 별과 태양 속에서 양성자가 탄소 원자핵에 핵융합되고 감마파 광자가 생성됩니다.CNO 순환의 두 번째 단계는 베타붕괴 ¹³N → ¹³C + e⁺ + V_e 과정입니다. 이는 질소 원자핵의 양성자 1개가 중성자로 변환하는 +베타붕괴 P → n + e⁺ + V_e 로 , 이 과정에서 양성자는 반전자와 전자 중성미자를 방출하고 중성자로 바뀝니다. 반전자( e⁺ )를 생성하는 베타붕괴를 +베타붕괴, 전자( e^- )를 생성하면 -베타붕괴라 합니다.

별의 행융합 과정에서는 +베타붕괴가 핵심입니다. ¹³C는 양성자 6개 중성자7개인 탄소 동위원소의 원자핵입니다. +베타붕괴에서 생성된 반전자 e⁺ 가 별 속의 자유전자 e^-를 만나 쌍소멸하는 e⁺ + e^- → ɣ 과정으로 전자와 반전자 질량에 해당하는 에너지를 갖는 광자를 방출합니다. 전자와 반전자의 쌍소멸에서 생성되는 광자를 이용하는 뇌 영상 기술이 바로 양전자단층촬영(PET)입니다.

 

CNO 순환의 네 번째 단계는 질소 원자핵에 양성자가 핵융합하는 ¹⁴N + P → ¹⁵O + ɣ 과정으로 , 산소 동위원소 핵 ¹⁵O이 생성됩니다. CNO순환의 다섯 번째 단계에서는 산소 원자핵의 양성자 1개가 +베타붕괴하는 ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + V_e 과정에서 질소 원자핵이 생성됩니다.

 

¹⁵N, ¹⁴N, ¹³N은 모두 질소 동위원소이며 양성자는 7개로 동일하고 중성자 개수만 8개, 7개, 6개로 서로 다릅니다. CNO순환의 마지막 단계인 여섯 번째 단계는 질소 원자핵 ¹⁵N 과 양성자가 핵융합하는 ¹⁵N + P → ¹²C + ⁴He 과정으로 ,탄소 원자핵과 헬륨 원자핵 ⁴He, 즉 알파입자 1개가 생성됩니다. 태양보다 질량이 큰 별 중심부의 핵융합 과정인 CNO 순환에서 탄소, 질소, 산소 원자핵과 양성자 4개가 차례로 1개씩 핵융합하여 6단계의 핵 변환을 통과하면 ¹²C + 4P → ¹²C + ⁴He 가 됩니다. 즉 양성자 4개가 알파입자 1개인 ⁴He 로 핵융합하는 과정입니다.

 

태양의 양성자-양성자 핵융합 과정은 태양 중심부에서 일어나는 행융합하는 반응이고 CNO 순환은 태양보다 질량이 조금 더 큰 별 중심부에서 일어나는 핵융합 반응입니다.별의 핵융합과 베타붕괴도 자연에서 일어나는 전자, 광자, 양성자 상호작용이 중요한 예일 뿐입니다.

다음 포스팅에서는 '핵융합과 원소의 탄생' 에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다.