수소핵융합반응

양성자(@@NAMATH_INLINE@@\rm{p}@@NAMATH_INLINE@@) 1개로 구성된 수소의 원자핵 4개가 핵반응으로 1개의 헬륨의 원자핵(@@NAMATH_INLINE@@\rm{^{4}He}@@NAMATH_INLINE@@)을 만드는 핵융합과정이다. 헬륨 원자핵 1개의 질량은 수소 원자핵 4개의 질량보다 작다. 이 줄어든 질량은 반응 중 가용 가능한 에너지로 변환된다. 태양과 같은 주계열성 내부에서는 이런 수소핵융합반응으로 에너지를 만든다. 이 에너지는 열의 형태로 별의 표면에 전달되고, 빛의 형태로 바뀌어 우주 공간으로 퍼져 나간다. 수소핵융합반응이 일어나는 구체적인 반응 과정은 별 내부 온도에 따라 달라진다. 태양과 같은 별의 내부에서는 양성자-양성자연쇄반응이 작용하고, 태양보다 훨씬 무거운 별의 내부에서는 CNO순환 과정이 작동한다. 태양 내부에서 수소핵융합반응이 일어나고 있다는 관측 증거는 태양에서 날아오는 중성미자이다.

수소핵융합반응으로 헬륨이 만들어지는 과정을 식으로 표현하면

@@NAMATH_DISPLAY@@\rm {4p} \rightarrow {^{4}He} + 2e^+ + 2\nu_e \qquad (1) @@NAMATH_DISPLAY@@

이다. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@\rm{e^+}@@NAMATH_INLINE@@는 양전자이고 @@NAMATH_INLINE@@\rm{\nu_e}@@NAMATH_INLINE@@는 전자 중성미자다. 실제로 양성자 4개가 동시에 충돌할 확률은 매우 낮기 때문에, 수소핵융합 과정은 양성자-양성자연쇄반응 과정이나 CNO순환 과정으로 일어난다.

목차

그림 1. 태양 내부에서 만들어지는 헬륨의 상당 부분이 ppI으로, 절반 미만이 ppII로 만들어진다.(출처: 한국천문학회)

양성자들끼리 순차적인 충돌에 의해 헬륨의 원자핵(@@NAMATH_INLINE@@\rm{^{4}He}@@NAMATH_INLINE@@)가 만들어지는 연쇄 반응이다(그림 1 참조). 양성자-양성자연쇄반응은 CNO순환에 비해 낮은 온도에서 중요한 역할을 하며 질량이 작은 하부 주계열성 내부에서 주로 발생한다고 알려져 있다.

처음 두 개의 양성자가 결합하면 중수소가 만들어지는데, 일단 중수소가 만들어지면 다시 양성자가 이 중수소와 결합하여 @@NAMATH_INLINE@@\rm{^{3}He}@@NAMATH_INLINE@@가 만들어진다. @@NAMATH_INLINE@@\rm{^{3}He}@@NAMATH_INLINE@@가 @@NAMATH_INLINE@@\rm{^{4}He}@@NAMATH_INLINE@@가 되는 세가지 다른 과정을 각각 ppI, ppII, pp III이라고 부르는데, 태양의 경우 ppI으로 에너지가 주로 만들어진다.

그림 2. CNO순환반응의 예이다.(출처: )

1930년 대에 베테(Hans Bethe)와 바이채커(Carl Friedrich von Weizsacker)가 처음으로 제안하여 질량이 큰 별에서의 에너지 생성을 설명하였다. CNO순환반응은 탄소(C), 질소(N), 산소((O)를 촉매로 사용하여 헬륨의 원자핵(@@NAMATH_INLINE@@\rm{^{4}He}@@NAMATH_INLINE@@)을 생산하는 과정이다(그림 2 참조). CNO순환 반응은 별의 온도가 높을수록, CNO의 함량이 높을수록 중요해진다. 따라서, 상부 주계열성 내부나 적색 거성 등의 껍질 연소에서 활발하게 일어난다.

CNO순환반응은 질소의 생성에도 중요한 의미가 있다. 일반적으로 질소는 별 내부의 핵융합반응에 의해 생성되지 않기 때문에 그 기원에 대해 여러가지 이론이 있는데, CNO순환과정에서 탄소와 산소의 일부가 질소로 바뀐다고 알려져 있다.

1960년대 미국 홈스테이크(Homestek)에 위치한 금광에서는 태양의 핵에서 일어나는 수소핵융합반응으로부터 만들어진 전자중성미자를 처음으로 측정하였는데 표준태양모형(Standard Solar Model)에서 예측한 값보다 1/3 쯤되는 값을 얻었다. 태양중성미자문제라고 알려진 이 결과는 중성미자의 질량이 0이 아니기 때문에 나타나는 중성미자진동 현상으로 설명할 수 있게 되었다. 즉, 세 종류의 중성미자가 서로 변환하기 때문에 예측한 전자중성미자는 1/3 정도가 될 수 밖에 없다.