안녕하세요 쟈니입니다
이번 시간에는 천문학 및 우주과학에서 사용되는 주요 화학 반응식 형태의 내용을 몇 가지 정리하는 시간을 갖도록 하겠습니다.
그 중에서도 오늘은 별 내부에서 일어나고 있는 핵융합 반응에 대한 반응식을 정리해 보도록 하겠습니다.
- P-P 연쇄반응 (양성자-양성자 연쇄반응)
P-PI 연쇄반응 과정을 나타내는 그림. P-P 연쇄반응은 주계열성 내부에서 일어나는 주요 수소핵융합반응입니다.왜 P-P 연쇄반응이냐 하면 영어에서 양성자(= 수소원자핵)가 Proton이기 때문에 머리글자를 따서 P-P가 됩니다.계속 핵반응이 다른 핵반응을 연쇄적으로 일으키기 때문에 ‘연쇄반응’이라고 합니다. 그래서 ‘P-P 연쇄 반응’이에요
이러한 P-P 연쇄반응에는 세 가지 경로가 있으며 이를 로마 숫자로 I, II, III로 구분하여 PPI 반응, PPIII 반응으로 나눌 수 있습니다.
1-1) PI 반응 PPI 반응 전반 과정을 정리하면 위와 같이 정리할 수 있습니다.이 핵융합 반응이 일어나는 과정에서 질량 결손이 일어나 E=mc^2 라는 아인슈타인의 ‘질량-에너지 등가법칙’ 에 따라 결손된 질량이 감마선 형태로 에너지를 방출합니다.
다른 PP 반응도 정리해봅시다.
1-2) P-PI 반응 P-PI 반응은 P-PI 과정에서 만들어진 헬륨 일부가 베릴륨, 리튬과 같은 더 무거운 원소로 변화한 뒤 다시 헬륨이 만들어지는 과정에 에너지를 방출합니다.
1-3) P-PIII 반응 P-PII 반응도 P-PI 과정에서 만들어진 헬륨 중 일부가 베릴륨, 붕소가 되었다가 다시 헬륨이 되는 과정에서 질량 결손이 생겨 에너지를 방출합니다.
이러한 PP반응은 주계열성 내부의 주요 수소핵융합반응 과정이며, 특히 태양과 질량이 가까운 별(태양질량의 1.5배 이하인 별)에서의 핵심적인 핵융합반응입니다. 상기 3가지 PP반응 중에서도 P-PI반응이 가장 우세하게 일어납니다.
덧붙여서 PP반응은 별의 중심부에서 일어나는 최소한의 문턱온도를 400만K 정도로 하고 있습니다.
2. CNO 순환 반응
CNO 순환반응 모습 CNO 순환반응은 CNO(탄소, 질소, 산소)가 일종의 ‘촉매’로 작용하여 수소가 헬륨이 되는 과정입니다. 마찬가지로 그 과정에서 질량 결손이 일어나 결손된 질량만큼 에너지를 방출합니다.
CNO 순환반응을 정리하면 다음과 같습니다.상기 과정에서 CNO는 ‘촉매’로서 작용하여 수소 4개가 투입되는 것 외에 더 헬륨 1개가 만들어집니다. 그 결과 발생하는 질량결손치만큼 에너지가 방출됩니다.
CNO 순화반응이 일어나기 위한 최소한의 문턱온도는 1300만K 정도가 되며 태양질량보다 1.5배 이상 큰 별(이때부터 대략 중심부의 온도가 1800만K를 넘는다.)에서는 이 CNO 순환반응이 PP연쇄반응보다 폭발적으로 일어나 별 에너지 생성의 주된 반응이 됩니다.
3. 헬륨 핵융합 반응=수소 핵융합 반응이 끝나면 적색 거성 단계로 별이 진화하고, 그 적색 거성으로 진화하는 과정에서 별의 중심부 온도는 약 1억K 이상까지 올라갑니다. 이 1억 K가 헬륨 핵융합 반응이 일어날 가능성이 있는 문턱 온도가 됩니다. 따라서 적색 거성 단계를 거치는 태양 질량의 0.26배 이상의 별은 중심부에서 헬륨 핵융합을 일으킬 수 있습니다.
적색 거성 내부에서 일어나는 헬륨 핵융합 반응 과정을 나타낸 그림
그 과정은 다음과 같습니다.위와 같은 과정에서 발생하는 질량결손에 해당하는 에너지를 방출합니다.헬륨 원자핵(알파 입자) 자체가 헬륨 핵융합에 관여하고 헬륨 원자핵 3개가 합쳐져 탄소 원자핵 1개가 만들어지므로 위의 반응을 ‘삼중 알파 반응’이라고 하기도 합니다.
덧붙여서 베릴륨이 불안정하기 때문에, 헬륨 핵융합 반응 과정에서 (1)의 화살표가 양쪽 모두입니다. 베릴륨이 다시 헬륨 두 조각으로 갈라지는 역반응도 비교적 일어나기 쉽기 때문입니다.
추가적인 헬륨 핵융합 반응을 정리하면 다음과 같습니다.이런 헬륨 핵융합 반응도 조건만 맞으면 더 무거운 원소로 핵융합이 가능합니다.
4. 그 외 핵융합 반응, 그 외 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응 몇 가지를 간단히 소개합니다.
4) 탄소와 산소 핵융합 반응 별 질량이 크면 별 내부에서는 탄소와 산소를 핵융탄합 반응할 수 있을 정도로 중심부가 수축되어 뜨거워집니다. 별 중심부의 온도가 5~8억K 정도가 되면 탄소 핵융합 반응이 일어날 수 있으며 이보다 조금 더 높은 온도에서는 산소 핵융합도 일어날 수 있습니다.
이것은 탄소 핵융합 반응을 간단히 정리한 것입니다.
이것은 산소 핵융합 반응을 간단하게 정리한 것입니다.
4-2) 규소 핵융합 반응별 내부 핵융합 반응의 궁극적이라 할 수 있습니다. 이 규소 핵융합 반응은 할 수 없어도, 별의 중심부에서 적어도 약 30억K를 넘는 경우에 일어날 수 있습니다. 그리고 결국 이 규소 핵융합 반응의 최종 결론으로 별의 내부에서 만들어지는 가장 안정된 원소이자 마지막 원소인 철이 만들어지게 됩니다. 이러한 규소 핵융합 반응은 최소 태양 질량의 8배 이상인 별이 적색 초거성의 마지막 단계에서 발생합니다.
여기까지가 철이 만들어지는 과정까지가 별에서 만들어지는 원소의 한계라 할 수 있어요.
그럼 오늘은 별 내부의 핵융합 반응에 대한 반응식을 정리해 보았습니다. 내일도 다른 화학 반응식을 정리해봅시다.예제문제는몇개의화학반응식을조금더정리를한다음에다른문제를풀면서같이풀어보도록해요.