과  제  학  습  지

단원명	Ⅰ-2. 우주의 진화	( )년 ( )월 ( )일
학 습 주 제	- 무거운 원소들은 어떻게 만들어졌을까? - 우주는 어떤 구조를 하고 있을까?	교과서 32~53쪽
		( )학년 ( )반 ( )번 ( )

◈ 논․서술형 ◈

1. 수소와 헬륨, 탄소, 철, 우라늄이 각각 어떻게 생성되었는지 우주의 진화와 관련지어 설명하시오.

대폭발 초기에 우주의 온도가 내려가면서 수소와 헬륨이 형성되었고, 이후 별의 내부에서 수소의 핵융합 반응을 통해 헬륨, 탄소, 산소 등이 만들어졌다. 질량이 큰 별의 내부에서는 헬륨, 탄소, 산소 등이 차례로 핵융합 반응을 통해 더 무거운 원소가 생성되었는데, 이때 생성되는 가장 무거운 원소가 철이다. 철보다 무거운 원소는 질량이 큰 별이 초신성 폭발을 일으켰을 때 생성되었다.

2. 태양의 진화 단계에 대한 다음 물음에 답하시오.

(1) 태양의 진화 단계를 네 단계로 구분할 때, 각 단계를 순서대로 쓰시오.

주계열성-적색 거성-행성상 성운-백색 왜성

(2) 각 단계에서 그 다음 단계로 변해가는 과정에 대하여 내부 구조의 변화 및 에너지원과 함께 설명하시오.

주계열성은 수소 핵융합 반응이 일어나는 단계이며, 주계열성의 내부에서 수소 핵융합 반응으로 형성된 헬륨 핵이 수축하면서 발생하는 중력 수축 에너지와 핵의 바깥쪽에서 발생하는 수소 핵융합 반응의 에너지로 팽창하면서 적색 거성이 된다. 헬륨 핵이 수축하여 중심핵의 온도가 올라가 헬륨 핵융합 반응이 일어나면서 탄소가 생성되면서 팽창하던 별의 외층은 중심핵과 분리되어 행성상 성운이 된다. 중심의 탄소 핵은 점차 수축하여 중력 수축 에너지가 발생하지만 새로운 핵융합 반응은 일어나지 않은 채 백색 왜성으로 변해간다.

(3) 그림은 표면 온도와 밝기를 축으로 하여 현재 태양의 위치(A)를 나타낸 것이다. 태양이 진화하는 각 단계에서 표면 온도와 밝기가 어떻게 변하는지 아래 그림에 단계별 위치를 표시하고, 그 까닭을 설명하시오.

→  표면 온도

밝

기

↑

A

B

C

주계열성인 A의 위치에서 적색 거성이 되면 표면 온도는 낮아지면서 밝기는 증가하므로, B의 위치로 변하고, 행성상 성운의 단계를 거쳐 백색 왜성이 되면 표면 온도는 상승하지만 계속적인 수축으로 크기가 작아지기 때문에 밝기는 감소하여 C의 위치로 변한다.

3. 어떤 물질이 연소될 때 연료가 많으면 오래 탈 수 있다. 그러나 별은 핵융합에 필요한 수소의 양이 많을수록 수명이 짧다고 한다. 그 까닭이 무엇인지 설명하시오.

별의 수명은 연료로 사용할 수 있는 질량에 비례하고, 핵융합 반응을 통한 연료의 소모율에 반비례한다. 또, 연료의 소모율은 밝은 별일수록 큰 것이므로, 별의 밝기(광도)에 비례한다. 주계열성의 경우, 별의 밝기는 질량의 세제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다.

결국, [eqn: 별의 ~수명∝~{ 질량} over {연소율 } PROPTO {질량 } over {광도 } PROPTO {질량 } over {질량 ^{ 3} } PROPTO { 1} over {질량 ^{ 2} }]의 관계가 성립한다. 여기에서 별의 수명은 대체로 그 별의 초기 질량의 제곱에 반비례함을 알 수 있다. 따라서 질량이 큰 별일수록 더 빨리 일생을 마치게 된다.

4. 우주 거대 구조 속에서 은하들이 분포하는지 그 특징에 대하여 쓰시오.

은하들은 무리를 지어 분포하여 은하군이나 은하단을 이루고, 은하군이나 은하단은 초은하단을 구성한다. 이러한 초은하단들은 우주 전체에 고르게 퍼져 있지만 더 좁은 영역에서 관측하면 인접한 초은하단들은 길게 줄을 잇고 있는 것과 같은 구조를 하고 있다.

5. 화학 반응의 반응 속도를 빠르게 하는 방법에는 어떤 것들이 있는지 쓰시오.

화학 반응이 일어나기 위해서는 반응을 일으킬 수 있는 입자가 많아져 유효 충돌 횟수가 증가하도록 해야 한다. 따라서 반응물질의 표면적을 크게 하거나 농도를 높이면, 단위 부피 속에 많은 수의 입자가 존재하게 되므로 충돌 횟수가 늘어나 반응 속도가 빨라질 수 있다. 또한, 온도를 높이거나 촉매를 활용하여 반응이 일어날 수 있는 에너지를 가지는 입자의 수를 늘리면 반응 속도가 빨라진다.

6. 성간 물질에 존재하는 분자 중 수소 분자가 가장 많은 까닭은 무엇인지 설명하시오.

성간에 존재하는 원소 중 가장 많은 양을 차지하는 것은 수소 원자이다. 따라서 성간에 가장 많이 존재하는 수소 원자들의 유효 충돌이 가장 활발하여 많은 양의 수소 분자를 만들게 된고, 이로 인해 수소 분자가 가장 풍부하게 존재하게 되었다.