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기체의 분출과 혼합물의 분리 |
밀폐된 용기에 기체를 넣어 두면 분자들이 그 안에서 계속 빠르게 운동하지요. 그러면서 쉴새 없이 용기의 벽을 두드립니다.
만약 용기의 한 쪽에 작은 구멍을 뚫어 두면 여기저기 벽에 부딪히다가 가끔 그 구멍에 부딪히는 분자들도 있지요. 그 분자들은 그 구멍을 통해 용기 밖으로 빠져 나옵니다. 이렇게 기체 분자들이 구멍을 통해 빠져 나오는 현상을 분출이라고 합니다.
크게 분 풍선이 시간이 지남에 따라 작아지는 것은 바로 풍선에 있는 미세한 구멍들을 통해 기체 분자들이 분출하기 때문입니다.
분자들이 빨리 움직일수록 용기 벽과의 충돌 횟수가 많아집니다. 따라서 구멍에 충돌하는 횟수도 그만큼 커지고, 분출 속도도 증가하게 되겠지요.
기체 분자의 질량이 작을수록 빨리 움직이므로 그 만큼 구멍을 빠져 나오는 속도도 크지요. 같은 크기로 질소(N2)와 헬륨(He)으로 채운 풍선을 비교하면, 시간이 지남에 따라 헬륨풍선이 질소풍선보다 더 작아집니다. 이것은 질소 분자의 질량이 헬륨 원자의 질량의 약 7배이므로 헬륨 원자가 훨씬 더 빨리 움직이고, 그 결과 구멍에 더 자주 부딪히기 때문입니다.
물질을 이루는 입자들의 질량에따라 분출 속도가 다른 것을 이용하여
두 종류의 기체를 분리할 수 있습니다. 예를 들어, 우라늄 원자에는 질량이 다른 두 종류가 있습니다. 둘을
동위원소라고 부르지요. U-235, U-238로 구분합니다. U-238 원자가 U-235 원자보다 아주 조금 더 무겁습니다.
두 동위원소 중 U-235만 방사성을 가집니다. 방사성을 가졌다는 것은 적절한 조건에서 원자핵이 깨어지면서 엄청난 양의 열을
내어놓는다는 것을 의미합니다. 원자 폭탄 개발 과정에서 방사성 U-235 원자들을 방사성이 없는 U-238로부터 분리하여야
합니다. 두 원자는 질량이 서로 다르므로느, 그 차이를 이용하면 서로로부터 분리할 수 있습니다. 바로 분출 현상을
이용하는 거지요.
분출현상은 기체에서 일어나는 현상인데 금속 우라늄의 분리에 어떻게 사용하느냐구요? 우라늄을 불소화합물로 먼저 바꾸어줍니다. 우라늄 불소화합물 UF6은 기체입니다. 두 동위원소의 불소화합물의 분출 속도비는 1.004입니다. 235UF6가 238UF6보다 1.004배 빠른 거지요.
그 정도의 분출 속도 차이로 어떻게 두 기체를 분리하느냐구요? 그것을 이해하기 위해 다음과 같은 좀 더 간단한 경우를 먼저 이해해 보지요. 기체 분자 A와 B의 분출 속도비가 1:2라고 합시다. 한 용기에 A 100개와 B 100개를 넣었습니다. 그런 후 구멍을 뚫었지요. 시간이 흐른 후 A가 50개 빠져 나왔을 때 B는 몇 개 빠져 나왔을까요?
{답은 100개. B가 A보다 2배 빠르므로, 같은 수로 시작했다면 2배 더 많이 빠져나옵니다.}
이렇게 처음 구멍을 빠져 나온 분자들을 용기에 모은 후 구멍을 뚫어 놓아 봅시다. A가 반인 25개 빠져 나왔을 때 B는 몇 개 빠져 나왔을까요?
{답은 100개. B가 A보다 2배 빠르고 숫자 또한 2배 많게 시작했으므로 4배 더 많이 빠져나옵니다.}
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만약 두번째 구멍을 빠져 나온 분자들을 모아 다시 구멍을 통과시키면 A가 10개 빠져 나왔을때 빠져 나온 B의 수는?
{답은 80개. B가 A보다 2배 빠르고 숫자는 4배 많게 시작했으므로 8배 더 많이 빠져나옵니다.}
이제 어떤 일이 일어 나는지 대강 짐작이 되지요? 구멍을 통과시킬수록 점점 분자량이 작은 기체 분자의 비율이 더 높아지지요. 그것도 한번씩 할 때 마다 큰 폭으로 증가하구요.
바로 이 원리를 이용하면 우라늄 두 동위원소의 불소 화합물이 아주 작은 분출 속도 차이를 가짐에도 불구하고 여러 번의 분출을 통해 거의 100%에 달하는 순수한 235UF6를 얻을 수 있지요. 3천번 정도의 분출을 통하면 235UF6 1150개당 238UF6가 1개 섞여 있는 혼합물을 얻을 수 있다고 합니다. 이 정도면 보통의 목적에서는 순수한 35UF6로 보아도 된다고 하지요. 이제 남은 일은 우라늄으로부터 불소 원자들을 떼어내는 화학반응 뿐.
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