원자보다 더 작은 물질의 기본 구성 요소

원자보다 더 작은 물질의 기본 구성요소

<어떻게 물리학을 사랑하지 않을 수 있을까? / 짐 알칼릴리 지음 / 영국 서리대학교 이론물리학 교수>

* 양자세계에 대해 개론서 개념으로 봤던 책인데... 더렵게 어려워 졸면서  일주일간 봤던 책인거 같다.

 어려운 책은 빠르게 여러번 읽는것을 좋아한다. 그렇기 때문에 정리 내용이 아리송하거나 이상한 내용이 많으니, 관심이 있다면 원서를 찾아보길 추천한다. 

 

 

 

 

<원자 내부의 구조의 본격적 연구>

100년도 전에 어니스트 러더퍼드는 (Hans Geiger & Ernest Marsden)의 도움을 받아 원자의 내부 구조를 처음으로 밝혀냅니다.

 

알파 입자를 얇은 금박에 쏘고 몇 개가 금박을 통과했는지, 튕겨 나왔는지를 관찰을 통해서 구조를 밝혀냅니다. 이렇게 물리학자들은 원자에 대한 깊은 연구를 시작하는 계기가 됩니다.

 

최초로 전자구름이 작고 밀도 높은 원자핵을 둘러싼 원자 자체의 구조를 밝혀 냅니다.

그 다음으로 내부에 존재하는 ‘양성자와 중성자’라는 구성 요소를 발견합니다.

양성자와 중성자 내부에는 ‘쿼크’라는 소립자가 있음을 밝혀냅니다.

 

 

 

 

 

 

 

<원자 내부의 상대적 크기 감>>

원자의 크기는 굉장히 작습니다. (핵은 10^-15m, 전자를 포함한 지름은 약 10^-10m)

 

원자들도 크기가 크고 작은 여러 종류가 있습니다.

여서 말하는 ‘ 크기’란, 전자껍질을 모두 포함한 구 형태의 원자의 상대적 지름을 말합니다.

원자는 기본적으로 껍질의 개수가 많아질수록 크기는 커집니다.

 

같은 족 내에서 원자 번호가 커질수록 껍질의 개수가 늘어나 부피는 커집니다.

하지만 같은 주기 내에서 원자번호가 커지면 부피는 오히려 작아집니다.

 

예를 들어 1억 개의 수소 원자를 한 줄로 배열해야 1cm 정도가 됩니다.

원자의 크기를 1억 배 늘리면 탁구공만 해집니다.

탁구공을 1억 배 늘리면 지구의 크기와 비슷해집니다.

원자의 놀라운 점은 원자의 내부는 대부분 비어있는 하나의 공간이라는 점입니다.

 

원자보다 훨씬 작은 구조를 실제로 실감하긴 불가능합니다.

원자도 우리가 상상조차 힘든 작은 크기에 불과하기 때문입니다.

그렇기 때문에 이때 비유가 필요해집니다.

 

 

 

 

 

예를 들어 원자를 1층 단독주택 크기로 부풀리면, 양성자와 중성자의 크기는 소금 알갱이 하나의 크기에 해당합니다. 쿼크의 크기는 그것보다 훨씬 작기 때문에 크기 체감은 훨씬 어렵습니다. 상 바닷물을 모두 담는데 필요한 종이컵의 수보다, 물 한 컵에 든 원자의 수가 더 많습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<원자 내부의 물리학 법칙>

원자는 주로 빈 공간으로 되어 있습니다.

그 공간 안에 중성자와 양성자가 활발하게 움직인다는 점입니다.

그렇기 때문에 원자 내부의 전기적 인력(끌어당김)과 척력(밀어냄)이 아주 중요한 역할을 합니다.

그리고 이것을 이용해 원자들을 새롭게 배열하여 신소재나 DNA 구조 변형 같은 정교한 작업을 가능하게 합니다.

 

 

원자들이 어떻게 결합할지는 결국 그 전자들이 원자핵 주변에 배열되는 방식에 따라 달렸습니다.

이것이 바로 화학의 본질입니다. 원자끼리 결합하여 전혀 새로운 것을 만들어 낸다.

그때 사용하는 것은 전적으로 전자들 사이의 전기력 덕분이다.

중력과 전기력은 지구상뿐만 아니라, 우주에 있는 많은 물질에 직간접적 영향을 줍니다.

 

 

 

원자 컴퓨터 연구는 이런 미시세계를 연구하는 것이기 때문에, 우주의 기본 법칙을 연구한다는 점에서 굉장한 가능성이 생기는 겁니다. 컴퓨터를 자연의 법칙대로 설계된다면, 우리는 물질과 자연의 섭리를 더 완벽하게 이해하고 연산할 수 있게 될 것입니다.

 

 

 

아주 작은 양성자와 중성자 관점에선 전기력이 물질을 한데 붙잡고 있고, 아주 큰 우주 관점에서 보면 중력들이 물질을 붙잡고 있습니다.

 

 

 

 

 

실제로 원자핵 내부는 또 다른 물리법칙이 존재합니다.

원자핵은 양전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자, 이렇게 두 가지 종류의 입자로 이뤄지기 때문에 서로 전자기적 반발로 원자핵이 쪼개져야 정상처럼 보입니다. 하지만, 이런 아주 작은 물질들은 중력이 터무니없이 약해서 아무런 역할을 하지 못한다고 합니다. 그리고 서로 반발을 해야 하는 양성자와 중성자들이 빽빽하고 단단하게 한데 묶여 있습니다.

 

 

중성자와 양성자 사이에서 발생하는 힘을 (강한 핵력 /약한 핵력) 이라고 합니다.

서로를 밀어내는 반발력조차 다양한 원인에 의해 강한 접착제 역할을 하는 작용으로 바뀔 수 있습니다.

이렇게 서로 강하게 붙어 있으려는 힘을 (강한 핵력)이라고 합니다.

 

 

 

그리고 양성자와 중성자를 이루는 훨씬 작은 요소인 ‘쿼크’들 사이에 가장 강하게 작용합니다.

쿼크들은 ‘글루온’이라는 매개입자로 한데 묶여있고, 글루온을 교환하여 서로 끌어당기는 반면, 쿼크와 전자는 양쪽 모두 전하를 띠기 때문에 광자를 교환하며 전자기력을 통해 상호 작용을 합니다.

 

 

원자는 더 작은 몇 가지 구조로 연결되어 있고, 중력의 영향을 받지 않을 정도로 작고, 계속 운동한다는 점 때문에 일반 물리학 법칙에 따르지 않는다고 합니다. 그리고 그것의 구조는 매우 어려운 연산을 통해 이뤄집니다.

너무 작아서 인간이 그것을 검증하는데 많은 한계를 갖고 있기도 합니다.

 

 

 

 

강한 핵력과 비슷하게 약한 핵력도 아주 짧은 거리에 작용하기 때문에 그 효과를 직접 볼순 없습니다.

약한 핵력은 원자핵 안에서 국한된 작용을 말합니다. (W 보손과 Z 보손)의 교환할 때 발생합니다. 교환은 쿼크가 글루온을 주고받고 전자가 광자를 주고받는 것과 같은 방식입니다. 약한 핵력은 양성자와 중성자 사이의 상호변환을 일으키는데. 이것이 베타 방사능으로 이어집니다.

 

 

 

 

 

 

베타 방사능은 원자핵에서 방출되는 전하를 띤 입자입니다.

전자 electron

반물질인 양전자 positron

 

양전자는 전자와 똑같은데 전하만 반대입니다.

배타 입자 생성 과정은 아주 간단합니다.

 

원자핵 안에 있는 양성자와 중성자 수가 균형이 맞지 않으면 불안정해지고 하나 이상의 양성자가 중성자로 혹은, 중성자가 양성자로 바뀌면서 균형을 잡습니다. 그 과정에 전자나 양전자가 생겨나 방출됩니다. 이렇게 전하는 보존됩니다.

 

다시 말해 중성자가 너무 많은 원자핵은 베타붕괴를 일으키고, 그때 중성자가 양성자로

변하면서 전자 하나가 방출됩니다. 새로 양성자가 만들어지면서 늘어난 양전하를 이 전자의 음전하가 상쇄해 줍니다.

 

 

 

 

 

 

 

양성자와 중성자에는 각각 3개의 쿼크가 들어 있습니다.

 

이런 쿼크들은 두 가지 유형

업up

다운 down

이라는 상상력이 다소 부족한 이름으로 불립니다.

 

 

 

 

양성자에는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개가 어 있습니다.

업 쿼크는 전자 음전하의 2/3 크기에 해당하는 양전하를 띱니다(+2/3e).

다운 쿼크는 전자 음전하의 1/3에 해당하는 음전하를 띱니다(~1/3e).

이 세 쿼크의 전하를 모두 합하 면 양성자의 올바른 전하량 +1e이 됩니다.

 

반면 중성자에는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개가 들어 있습니다.

따라서 총전하량은0e이 됩니다.

 

 

 

 

사실 쿼크는 총 6개의 유형이 존재합니다.

각각 서로 다른 질량을 갖고 있습니다.

 

업up	다운 down	스트레인지 strange
참charm	톱top	보텀bottom

 

특별한 의미는 없고 임의로 선정된 이름입니다.

이 업과 다운을 제외한 쿼크들은 그들보단 무겁지만 아주 잠깐 동안만 존재할 수 있습니다.

이것들의 존재가 강한 핵력에 관련이 있고, 쿼크들의 각각 상호작용을 설명하는데 도움을 줍니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

<표준모형>

 

물리학에서 우주가 어떻게 생기고 작동하는지를 설명하는 많은 가설중에서 가장 설득력이 높은 이론을 말한다.

이 이론은 우주가 4가지 근본적 힘과 12가지 기본적 소립자로 구성된 세상으로 표현한다.

중력

전자기력

약한핵력

강한핵력

근본적인 4가지 힘과 12개의 소립자는 쿼크와 렙톤으로 구분된다.

 

 

 

6개의 랩톤 경입자는

전자

중성미자

뮤온

뮤온중성미자

타우온

타우온중성미자

 

 

6개의 중입자인 쿼크는

업up	다운 down	스트레인지 strange
참charm	톱top	보텀bottom

이렇게 있다.

 

쉽게 말해서

물질은 3쌍의 쿼크 (업-다운, 스트레인지-참, 보텀-톱)과 

렙톤 ( 전자 - 중성미자, 뮤온-뮤온성미자, 타우-타우성미자)로 만들어 졌으며

이들의 상호 작용은 4가지 힘 (중력,전자기력,약력,강력)에 의해 존재한다고한다.

표준모형은 4가지 기본적 힘 가운데 ( 약력과 전자기력)을 통합한 이론 이다.

 

 

이렇게 설명하는 표준모형도 우주의 96%를 차지한다는 암흑에너지를 설명하지 못하며, 단지 4% 정도의 물질만 설명이 가능한 불안전한 이론이라 한다. 표준모형은 1979년 처음등장하고 노벨물리학상을 수상하기에 이른다.

 

 

전자는 '경입자 Hepton'라는 다른 입자 종류에 속합니다.

경입자에도 6개 유형이 있습니다.

 

전자가 그중 하나고 그 외로 ‘뮤온 muon'과 '타우tau'가 있고 전자의 사촌 격으로 수명이 짧고 무겁습니다, 세 가지 유형의 '중성미자neutrino'가 있습니다.

중성미자는 베타붕괴 동안에 만들어지는 아주 가볍고 거의 감지가 안 되는 입자죠.

경입자는 강한 핵력에 영향을 받지 않고 색전 하를 띠지도 않습니다.

 

현재까지의 연구에 따르면 입자물리학의 표준모형에 서 입자는 전체적으로 2개 계열이 있습니다.

6가지 쿼크의 종류와 6가지 경입자를 포함한 물질 입자(페르미온과 광자, 글루온 W와Z, 힉스)를 포함하는 매개 입자는 '보손boson'입니다.

 

 

양자 세계로 넘어가면 굉장히 복잡하고 어려운 새로운 알고리즘이 필요합니다.

이것들은 대부분 일상생활엔 필요 없습니다.

 

일반적으로 우리 몸을 비롯한 자연물은 모두 원자로 구성되어 있고, 원자는 쿼크와 경입자라는 딱 두 부류의 입자로 이루어져 있습니다. 사실 모든 원자 물질은 처음 쿼크(업, 다운)과 한 가지 경입자(전자)로 구성됩니다.

 

 

 

 

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 역시 양자물리학은 더럽게 어렵다 .. ㅠㅠ

더많은 고민과 생각을 해야될것 같다.