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핵융합 반응이 고온‧고압 조건에서만 일어나는 이유는 무엇이며, 태양에서 핵융합이 안정적으로 지속되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵융합이 고온·고압 조건에서만 일어나는 이유를 말씀드리자면 우선 원자핵은 모두 양성자를 포함하고 있어 양전하끼리 강한 쿨롱 반발력인 정전기적 반발력을 가지는데요, 이 쿨롱 장벽을 극복하려면 원자핵이 매우 가까이 접근해야 하며, 그 순간에야 비로소 강한 핵력이 작용하여 두 핵을 결합시킬 수 있습니다. 고온에서는 원자핵들이 열운동으로 매우 빠른 속도를 가져야 충돌 시 반발 장벽을 뚫고 접근할 수 있는데요, 이때 태양 중심부는 약 1,500만 K로, 이 온도에서 양성자의 평균 운동에너지가 수 keV 수준이 됩니다. 완전히 장벽을 넘지는 못해도, 양자역학적 터널링 효과 덕분에 일정 확률로 핵융합이 일어납니다. 또한 밀도가 낮으면 핵들이 부딪힐 기회가 거의 없는데요, 하지만 고압에서는 핵들이 충분히 가까이 모여 충돌 확률이 높아져 융합이 통계적으로 일어날 수 있습니다. 태양 중심부의 압력은 지구 대기압의 수백조 배에 달합니다. 따라서 고온은 에너지 장벽 극복, 고압은 충돌 확률 증가라는 두 조건을 만족시켜야 핵융합이 가능한 것입니다.태양은 약 46억 년 동안 핵융합을 유지해 왔고, 앞으로도 약 50억 년 동안 안정적으로 반응을 지속할 수 있는데요, 우선 태양의 막대한 질량은 내부를 안쪽으로 끌어당기는 중력을 형성합니다. 한편, 중심부 핵융합에서 방출된 에너지는 광자와 플라즈마의 운동을 통해 바깥으로 전달되며, 이는 별의 외곽을 밀어내는 복사 압력을 만들어내는데요, 이 두 힘이 균형을 이루어 태양이 붕괴하거나 폭발하지 않고 안정된 상태를 유지하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.28
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인간의 혈액과 동물의 혈액은 무엇이 다른가요?
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 인간의 혈액과 동물의 혈액은 모두 기본적으로 혈장과 혈구 세포로 이루어져 있지만, 세부적인 차이가 있는데요, 우선 사람의 경우에는 성숙한 적혈구에는 핵이 없기 때문에 혈색소인 헤모글로빈만 가득 차 있어 산소 운반에 효율적입니다. 다른 포유류 역시 대부분 사람과 마찬가지로 적혈구에 핵이 없지만, 크기와 모양이 다를 수 있는데요, 예를 들어서 낙타는 타원형 적혈구를 가집니다. 또한 조류, 파충류, 양서류, 어류는 성숙 적혈구에도 핵이 존재하며 이를 현미경으로 보면 바로 구분이 가능합니다.다음으로 혈액 속 단백질의 종류와 비율이 종마다 다른데요, 면역학적 검사에서는 특정 항체를 이용해 사람 혈액인지, 동물 혈액인지 구별할 수 있으며 이것이 법의학 현장에서 자주 활용되는 방법입니다.혈액형 체계도 사람은 ABO식, Rh식 혈액형이 대표적인데요 동물 중에서 개는 수십 가지 혈액형, 고양이는 A, B, AB형, 말·소 등도 각각 고유한 혈액형 체계를 가지며 따라서 사람과는 전혀 다른 혈액형 분류법이 적용됩니다.게다가 헤모글로빈 단백질의 아미노산 배열도 종마다 조금씩 다르기 때문에 분자 수준에서 분석하면 사람과 동물의 차이를 확인할 수 있습니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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개방순환계와 폐쇄순환계의 차이는 무엇이며, 각각의 장단점은 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해 주신 것과 같이 생명체들은 저마다 다른 순환계를 가지고 있습니다. 우선 개방순환계는 혈액에 해당하는 체액인 혈림프가 혈관을 통해 한동안 흐르다가, 다시 혈관 밖으로 나와 체강 전체에 퍼지면서 직접 세포와 접촉하는데요 따라서 혈액과 조직액이 구분되지 않고 하나의 체액이 순환하며 곤충, 대부분의 연체동물, 절지동물 등이 대표적입니다. 다음으로 폐쇄순환계는 혈액이 항상 혈관 속을 따라 흐르며, 세포와는 모세혈관을 통한 물질 교환으로만 접촉하는데요, 혈액과 조직액이 분리되어 있으며, 척추동물과 일부 고등한 무척추동물이 갖고 있습니다.개방순환계는 구조가 단순하고 에너지 소모가 적은데요 따라서 압력이 낮기 때문에 순환계 유지 비용이 적고, 소형 동물이나 대사율이 낮은 생물에 적합합니다. 다만 순환 속도와 압력이 낮아 산소와 영양분을 빠르고 정밀하게 전달하기 어려우며, 따라서 빠른 움직임이나 높은 대사율이 요구되는 동물에는 불리합니다.다음으로 폐쇄순환계는 혈액이 고압으로 빠르게 순환하므로, 산소와 영양분을 조직에 효율적으로 전달할 수 있는데요 대사율이 높은 생물, 큰 체구를 가진 동물에 적합하며, 활동성이 높아질 수 있는 토대가 됩니다. 다만 구조가 복잡하고 유지에 더 많은 에너지가 필요하며 혈관계가 손상되면 치명적일 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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사람의 혈액을 ABO식 혈액형으로 구분한 과학자는 누구일까요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 사람의 혈액을 ABO식 혈액형으로 구분한 과학자는 오스트리아의 병리학자 카를 란트슈타이너인데요, 그는 1901년에 사람마다 적혈구 표면에 존재하는 성분인 항원이 다르며, 이 차이 때문에 타인의 혈액이 섞이면 항체와의 응집 반응이 일어나 위험해질 수 있다는 사실을 밝혔습니다. 이 발견으로 수혈에서의 안전성이 크게 향상되었고, 현대 혈액학과 수혈 의학의 토대가 마련되었다고 보시면 됩니다. 란트슈타이너는 이 공로로 1930년 노벨 생리의학상을 받았는데요, 이후 그의 제자들이 연구를 이어가면서 AB형을 추가로 확인하고, Rh식 혈액형도 뒤이어 발견되면서 오늘날 임상에서 사용하는 혈액형 체계가 정립되었습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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대나무는 꽃이 핀 뒤 씨앗이 생기나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 대나무는 일반적으로 땅속 뿌리줄기에서 죽순이 올라와 영양생식으로 번식하는 식물이기 때문에 대부분의 생활사는 씨앗보다는 뿌리줄기 확산을 통해 군락을 이루며 퍼져 나갑니다.하지만 대나무도 엄연히 속씨식물, 즉 꽃이 피는 식물이므로, 드물지만 꽃을 피우고 씨앗을 맺는 경우가 있는데요, 다만 특이한 점은 대나무는 보통 수십 년에서 길게는 100여 년에 한 번 대규모로 일제히 꽃을 피우는데, 이 과정을 개화 주기라고 합니다. 이렇게 꽃이 피고 나면 대부분의 개체가 결실 후 쇠퇴하거나 고사하는 현상이 나타나며 이를 ‘개화 후 집단 고사’ 현상이라고 부릅니다.꽃이 핀 대나무는 종에 따라 씨앗을 형성하기도 하는데요, 실제로 인도나 중국 등지에서는 대나무 개화기 때 씨앗이 쌀처럼 떨어져 나와 먹이로 활용된 사례도 기록되어 있습니다. 다만 씨앗으로 번식하는 것은 드물고, 자연 상태에서 씨앗 발아율도 낮기 때문에 생태학적으로는 뿌리줄기를 통한 영양생식이 주된 번식 방식이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.27
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방사성 동위원소의 반감기는 어떤 원리로 결정되며, 동일한 원소라도 동위원소마다 반감기가 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 방사성 동위원소의 반감기는 단순히 시간이 지나면 절반이 붕괴한다는 현상으로 보이지만, 실제로는 원자핵이 불안정한 상태에서 더 안정한 상태로 전이되는 과정이 얼마나 ‘쉽게 일어날 수 있느냐’를 반영하는 물리적 확률에 의해 결정되는 것입니다. 원자핵이 방사성 붕괴를 할지 말지는 개별적으로는 예측할 수 없지만, 통계적으로는 일정한 확률로 붕괴가 일어나는데요, 붕괴 확률(단위 시간당 붕괴 확률)을 붕괴 상수 λ라고 하며 이때 반감기는 ln2/λ의 값을 가집니다. 즉, 반감기는 핵이 붕괴할 확률이 얼마나 큰지에 의해 정해지는 값입니다. 반감기를 결정하는 물리적 요인으로는 핵력과 쿨롱 장벽이 있는데요, 원자핵 속에서 α입자가 형성되면, 양성자의 양전하 때문에 핵 밖으로 나가려면 ‘쿨롱 장벽’을 넘어야 합니다. 사실상 직접 뛰어넘지는 못하고, 양자역학적 터널링 확률로 밖으로 빠져나오는데요, 이 터널링 확률이 장벽의 두께·높이에 따라 크게 달라지므로, 반감기가 극도로 짧은 나노 초 단위에서 길게는 수십억 년까지 나타날 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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천연 우라늄(⁹²U)의 동위원소 비율이 핵연료로 사용되기 위해 농축이 필요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 원자번호 92번의 천연 우라늄은 사실 하나의 핵종이 아니라 여러 동위원소의 혼합물인데요, 물론 99% 이상은 우라늄-238이지만, 우라늄-235, 우라늄-234 역시 함께 존재합니다. 이 중에서 자발적으로 열중성자에 의해 쉽게 핵분열을 일으켜 연쇄 반응을 유지할 수 있는 핵종은 질량수 235를 가지는 우라늄인데요, 우선 천연 우라늄을 그대로 쓸 수 없는 이유는 열중성자에 잘 분열하지 않기 때문입니다. 이는 대부분의 중성자를 흡수해버리고, 핵분열보다는 다른 반응을 유발하기 때문에 연쇄 핵분열 반응을 직접적으로 유지할 수 없습니다. 또한 천연 상태에서 0.7% 정도밖에 되지 않아, 일반적인 원자로에서 필요한 연쇄 반응 조건을 만족하기 어렵습니다.따라서 원자로에서는 존재 비율을 3~5% 수준까지 높여야 안정적인 연쇄 반응을 유지할 수 있기 때문에, 이를 위해 기체 확산법, 가스 원심분리법 같은 방법으로 천연 우라늄에서 가벼운 동위원소를 분리·농축하는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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방사선 중 α, β가 빛이 아니라 입자라는 것을 어떻게 알게 되었나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 19세기 말 방사선이 처음 발견되었을 때는 단순히 투과력이 다르고 전기·자기장에서의 거동이 다른 세 종류의 선으로만 구분되어 α선, β선, γ선이라고 불렀는데요 그러나 실험을 거듭하면서 α, β가 단순한 빛이 아니라 물질적인 입자라는 사실이 밝혀졌습니다. 우선 α선(알파선)이 입자임을 알게 된 과정은 러더퍼드의 투과력 시험을 통해서인데요, α선은 얇은 종이 한 장에도 막혔지만, β선과 γ선은 더 강한 투과력을 보였습니다. 만약 α선이 단순한 전자기파라면 이렇게 쉽게 막히지 않을 텐데, 물질과 강하게 상호작용한다는 점에서 입자성을 의심하게 되었습니다. 이후 자기장과 전기장에서의 굴절을 통해 α선이 전하를 띤 채 입자처럼 휘어진다는 것이 확인되었습니다. 다음으로 β선(베타선)이 입자임을 알게 된 과정은 전기장·자기장에서의 편향 현상 때문인데요, β선은 α선보다 훨씬 많이 휘어졌으며, 이는 질량이 훨씬 작고 음전하를 띤다는 것을 의미했습니다. 또한 β선의 전하/질량비( e/m 값 )을 측정한 결과, 일반적인 전자와 동일했으며 따라서 β선은 전자 방출임이 확정되었습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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원자핵의 결합에너지 곡선이 핵융합과 핵분열이 모두 에너지를 방출할 수 있는 이유를 어떻게 설명해 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 핵융합과 핵분열이 모두 에너지를 방출할 수 있는 이유는 원자핵의 결합에너지 곡선의 형태에서 이해할 수 있는데요, 우선 결합에너지란 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자를 분리하기 위해 필요한 에너지를 말하는 것이며 따라서 핵자 1개당 결합에너지가 클수록 원자핵은 더 안정합니다.이때 수소, 헬륨 등 가벼운 원소는 핵자당 결합에너지가 낮으며, 철, 니켈과 같은 중간 원자는 결합에너지가 최댓값을 가지며 약 8.8 MeV/핵자로 가장 안정합니다. 그 이상으로의 중원자·중원소에 속하는 우라늄, 플루토늄 등 무거운 원소의 경우에는 결합에너지가 점차 감소하는데요 즉, 곡선은 왼쪽에서 급격히 올라가 철 부근에서 최대에 도달한 뒤, 오른쪽으로 갈수록 천천히 내려갑니다. 따라서 가벼운 원소는 철보다 결합에너지가 낮기 때문에 이들이 융합하여 질량수가 더 큰 원자핵을 만들면, 생성된 핵은 결합에너지가 더 크므로 더 안정합니다. 따라서 안정한 핵이 형성되면서, 결합에너지 차이가 에너지가 빛과 열의 형태로 방출되며 예를 들어서 수소 → 헬륨, 헬륨 → 탄소, 산소 등으로 융합할 때 에너지가 방출됩니다. 반대로, 매우 무거운 원소는 철보다 결합에너지가 낮은데요 따라서 이들이 쪼개져 더 작은 조각이 세슘, 크립톤 등 철에 가까운 중원소을 만들면, 생성된 조각들의 결합에너지가 더 커지게 되므로 쪼개진 쪽이 더 안정한 상태가 되어, 그 차이가 운동에너지와 방사선의 형태로 방출됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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이번 국정자원화재 리튬이온배터리에 대해
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 리튬이온배터리의 화재가 쉽게 꺼지지 않는 이유는 크게 두 가지로 설명이 가능한데요, 우선 자체 산화-환원 반응이 불길을 유지합니다. 리튬이온배터리는 고에너지 밀도를 가지도록 설계되는데요, 이때 내부에 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트 등과 같은 가연성 유기 전해질과 활성 금속 리튬 화합물이 들어있습니다. 화재가 시작되면 배터리 안의 전해질이 기화하면서 가연성 가스를 내뿜고, LiCoO₂와 같은 양극 물질이 고온에서 산소를 방출하는데요, 이때 산소가 외부에서 공급되지 않아도 자체적으로 나와서 연소를 지속시킬 수 있습니다. 즉, 배터리 자체가 연료이자 산화제의 능력을 동시에 품고 있는 셈이기 때문에 쉽게 꺼지지 않는 것입니다. 또한 충격, 단락, 과충전 등으로 배터리 내부 온도가 급격히 올라가면, 전해질 분해로 인해 더 많은 열 발생하고 양극에서의 산소 방출로 불길이 확대되며, 분리막 파괴로 인해 내부 단락이 심화됩니다. 이런 연쇄적인 발열 반응이 스스로 이어지면서 화재가 커지는 것이며, 한 번 열폭주가 시작되면 배터리 내부의 화학 반응이 스스로 불길을 키우기 때문에, 외부에서 물이나 일반 소화기를 뿌려도 쉽게 꺼지지 않는 것입니다. 특히 물은 전해질과 반응해 수소 같은 가연성 가스를 발생시킬 수 있어 오히려 위험할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.27
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