이 글은 SRI 시험 합격 당시 정리한 수기를 바탕으로 재구성했습니다. 학습 참고용 답안이며, 실제 채점자의 기준과 일치하는 지는 확인되지 않았습니다.
1. 문제
복합핵(compound nucleus)을 정의하라.
입사입자와 표적핵이 결합한 중간상태를 중심으로 설명한다. 미국 로런스버클리국립연구소, Nuclear Reactions
2. 모범답안
복합핵은 입사입자와 표적핵이 결합하여 형성하는 여기된 중간 원자핵이다. 입사 과정에서 얻은 에너지는 핵 내부의 여러 핵자에 분배되며, 복합핵은 입자나 감마선을 방출하거나 핵분열하여 여기상태에서 벗어난다. 복합핵 반응은 형성과 붕괴의 두 단계로 나타낼 수 있다.
X + a → C* → Y + b
여기서 a는 입사입자, X는 표적핵, C*는 여기된 복합핵, Y는 잔류핵, b는 방출입자이다. 방사포획에서는 복합핵이 감마선을 내보내며, 최종 잔류핵이 복합핵과 같은 핵종이면 C* → C + γ로 나타낸다. 여러 준위를 거칠 때는 감마선이 연이어 방출될 수 있다. 별표(*)는 여기상태를 뜻한다. 이 식은 하나의 방출 경로를 단순화한 표현이며, 핵분열 등은 생성물에 맞게 별도로 표시한다. 로런스버클리국립연구소, Nuclear Reactions, 셰필드대학교, Compound/Photon reactions, 8.1~8.2절
3. 문제를 풀기 위해 알아야 할 내용
3.1 복합핵은 최종 생성핵과 다르다
반응식의 가운데에 있는 C*는 반응이 끝난 뒤 남는 Y와 구분해야 한다. 먼저 입사입자와 표적핵이 하나의 여기된 핵을 만들고, 그 뒤 가능한 방출 경로를 통해 에너지를 내보낸다. ‘입사 → 결합·여기 → 방출’의 순서로 이해하면 된다. 셰필드대학교, 8.1~8.2절
핵자나 원자핵을 입사시키는 위 반응식에서는 복합핵의 핵자수(질량수)와 전하는 각각 입사입자와 표적핵의 핵자수와 전하를 합한 값이다. 방출이 끝난 뒤에도 반응식 양쪽의 질량수와 전하수 합은 일치해야 한다. 총에너지와 운동량의 보존도 함께 적용한다. 로런스버클리국립연구소, 핵반응 개요
그림. 표적핵과 입사입자가 들뜬 복합핵을 형성한 뒤, 입자 방출 또는 방사포획의 감마 방출 경로로 이어지는 예이다. 표시한 가지는 서로 다른 경로이며 감마 방출은 실제로 여러 단계일 수 있다. 모든 핵반응을 나타낸 그림은 아니다.
3.2 형성 경로를 ‘잊는다’는 뜻
복합핵 모형에서는 입사 과정의 에너지가 핵 내부에 분배된 뒤 붕괴가 진행된다고 본다. 보어의 독립성 가설은 같은 복합핵의 여기 에너지·스핀·패리티가 주어졌을 때, 붕괴가 구체적인 형성 경로에 의존하지 않는다는 설명이다. 여기서 패리티는 공간반전에 대한 핵 상태의 대칭성을 나타내는 양이다.
따라서 ‘어떻게 만들든 무조건 같은 결과가 나온다’는 뜻으로 외우면 안 된다. 비교할 복합핵의 상태가 같다는 조건이 중요하다. 미국 로런스리버모어국립연구소, Modernizing the Fission Basis
3.3 모든 핵반응이 복합핵을 거치는 것은 아니다
직접반응에서는 입사입자가 표적핵의 일부 핵자와 짧은 시간에 상호작용하여 반응이 진행될 수 있다. 복합핵 반응은 이와 달리 핵 내부에 에너지가 분배되는 중간단계를 거친다. 두 반응 메커니즘을 구분해야 한다. 셰필드대학교, 8.4절
복합핵의 수명은 핵 상태에 따라 달라지므로 하나의 고정된 시간으로 정의하지 않는다. 정의 문제에서는 특정 숫자보다 여기된 중간핵, 형성과 붕괴의 두 단계, 입자·감마선 방출 또는 핵분열을 정확하게 쓰는 것이 핵심이다. 셰필드대학교, 8.2~8.3절, 로런스버클리국립연구소, 복합핵의 붕괴 경로
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