핵물리학 - nuclear physics [1]

핵물리학 - nuclear physics

핵물리학은 원자핵과 그 성분과 상호작용을 연구하는 물리학 분야다. 다른 형태의 핵물질도 연구된다. 핵 물리학은 전체적으로 볼 때는 전자를 포함한 원자를 공부한다 원자 물리학, 혼동하지 않아야 한다. 핵물리학의 발견은 많은 분야에서 응용을 이끌어 왔다. 여기에는 원자력, 핵무기, 핵의학과 자기공명영상, 산업 및 농업 동위원소, 재료공학에서의 이온 이식, 지질학과 고고학에서의 방사성탄소 연대 측정 등이 포함된다. 그러한 응용은 원자력 공학 분야에서 연구되고 있다. 입자물리학은 핵물리학에서 발전했고, 두 분야는 일반적으로 긴밀한 연계를 통해 가르친다. 핵 천체물리학에 대한 핵물리학의 응용인 핵천체물리학은 별의 내적 작용과 화학 원소의 기원을 설명하는 데 결정적이다.

핵물리학의 역사

원자물리학과 구별되는 학문으로서의 핵물리학의 역사는 1896년 앙리 베크렐이 우라늄염의 인광성을 조사하던 중 방사능을 발견하면서 시작된다. 1년 후 J. J. 톰슨에 의한 전자의 발견은 원자가 내부 구조를 가지고 있음을 나타내는 것이었다. 20세기 초에 받아들여진 원자의 모델은 J. J. 톰슨의 "플럼 푸딩" 모델이었는데, 원자는 그 안에 더 작은 음전하를 띤 전자가 내장된 양전하 공이었다. 그 후 몇 년 동안 방사능이 광범위하게 조사되었는데, 특히 마리 퀴리, 피에르 퀴리, 어니스트 러더포드 등이 그 뒤를 이었다. 세기가 바뀔 무렵 물리학자들은 원자로부터 방출되는 세 종류의 방사선도 발견했는데, 이 방사선을 알파, 베타, 감마선이라고 명명했다. 1911년 오토 한과 1914년 제임스 채드윅의 실험은 베타 붕괴 스펙트럼이 이산형이라기보다는 연속형이라는 것을 밝혀냈다. 즉, 감마선과 알파 해독에서 관측된 개별적인 에너지의 양이 아니라 연속적인 에너지 범위로 원자로부터 전자가 배출되었다. 이것은 그 당시 핵물리학의 문제였는데, 왜냐하면 그것은 이 해독제들에 에너지가 보존되지 않았다는 것을 나타내는 것 같았기 때문이다.

1903년 노벨 물리학상은 베크렐의 발견으로, 마리 퀴리와 피에르 퀴리에게 방사능에 대한 후속 연구로 공동으로 수여되었다. 러더포드는 1908년 '원소 분해와 방사성 물질의 화학에 대한 연구'로 노벨 화학상을 받았다. 1905년 알버트 아인슈타인은 질량 에너지 등가사상을 공식화했다. 베크렐과 마리 퀴리의 방사능 연구는 이것을 앞서고 있지만, 방사능 에너지의 근원에 대한 설명은 핵 자체가 더 작은 성분인 핵으로 구성되어 있다는 발견을 기다려야 할 것이다.

핵에 대해 알아내다

1906년 어니스트 러더포드는 " 물질을 통과하는 과정에서 라듐에서 나오는 α 입자의 철회"를 출판했다. 한스 가이거와 루더포드가 공기와 알루미늄 호일, 금 잎을 통해 알파 입자를 통과시키면서 그와 함께 했던 실험으로 왕립학회에 이 작업을 확대했다. 1909년 가이거와 어니스트 마스덴에 의해 더 많은 작품이 출판되었고, 1910년 가이거에 의해 크게 확대된 작품이 출판되었다. 1911–1912년에 러더포드는 우리가 지금 이해하고 있는 원자핵의 새로운 이론을 제시하기 위해 왕립학회에 앞서서 실험을 설명하였다.

이 발표 이면의 핵심 실험은 1910년 맨체스터 대학에서 행해졌다: 어니스트 러더포드 연구팀은 루더포드의 감독 아래 가이거와 마스덴이 금박의 얇은 필름에 알파 입자(헬리움 핵)를 발사하는 놀라운 실험을 했다. 매실 푸딩 모델은 알파 입자가 포일 밖으로 나와야 하며 궤도는 기껏해야 약간 구부러져야 한다고 예측했었다. 그러나 러더포드는 그의 팀에게 그가 관찰하도록 충격을 준 어떤 것을 찾으라고 지시했다. 몇몇 입자들은 큰 각도로 흩어져 있었고, 심지어 어떤 경우에는 완전히 뒤쪽으로 흩어져 있기도 했다. 그는 그것을 휴지통에 총알을 발사하여 튕겨내게 하는 것에 비유했다. 1911년 러더포드의 데이터 분석과 함께 이 발견은 원자의 러더포드 모델로 이어졌는데, 원자에는 질량의 대부분을 포함하는 매우 작고 매우 밀도가 높은 핵이 있었고, (중성자를 알 수 없었기 때문에) 전하를 균형 있게 하기 위해 내장된 전자를 가진 중전하 입자로 구성되어 있었다. 일례로 이 모델(현대가 아닌)에서 질소-14는 14개의 양성자와 7개의 전자(총입자 21개)를 가진 핵으로 구성되었고 핵은 7개의 궤도를 도는 더 많은 전자로 둘러싸여 있었다.

1920년경, 아서 에드딩턴은 그의 논문 "별들의 내부 헌법"에서 별에서 핵융합 과정의 발견과 메커니즘을 기대했다. 당시 별빛 에너지의 원천은 완전한 미스터리였다. 에딩턴은 그 원천이 수소를 헬륨으로 융합시켜 아인슈타인의 방정식 E = mc2에 따라 엄청난 에너지를 해방시키는 것이라고 정확하게 추측했다. 이것은 그 당시 핵융합과 열핵에너지로, 별들이 수소(금속성 참조)로 주로 구성되어 있다는 사실조차 아직 발견되지 않았기 때문에 특히 주목할 만한 발전이었다. 러더포드 모델은 핵 스핀에 대한 연구가 1929년 캘리포니아 공과대학의 프랑코 라세티에 의해 수행되기 전까지 꽤 잘 작동했다. 1925년까지 양자와 전자는 각각 ± 1 ½의 스핀을 갖는 것으로 알려졌다. 질소-14의 러더포드 모델에서는 총 21개의 핵 입자 중 20개가 쌍을 이루어 서로의 스핀을 취소하고, 최종 홀수 입자는 핵에서 1⁄2의 순 스핀을 남겨야 한다. 그러나 라세티는 질소-14의 회전수가 1인 것을 발견했다.

제임스 채드윅의 중성자 발견

1932년 채드윅은 발터 보테, 허버트 베커, 이렌, 프레데릭 졸리오 퀴리에 의해 관측된 방사선이 실제로 양성자와 거의 같은 질량의 중성자 때문이라는 것을 깨달았다. 그는 (그런 입자의 필요성에 대한 러더포드의 제안에 따라) 같은 해에 드미트리 이바넨코는 핵에는 양자와 중성자만 있는 전자가 없으며 중성자는 1⁄2 입자임을 제안했는데, 이는 양자에 의한 것이 아니라 질량을 설명하는 것이었다. 중성자 스핀은 즉시 질소-14의 스핀 문제를 해결했는데, 이 모델에서 1개의 미숙련 양성자와 1개의 미숙련 중성자가 각각 같은 방향으로 1⁄2의 스핀을 기여하여 최종 합계 1의 스핀을 제공했기 때문이다.

중성자의 발견으로 과학자들은 마침내 핵 질량을 그것을 구성하는 양성자와 중성자의 질량과 비교함으로써 각 핵의 결합 에너지 분율을 계산할 수 있었다. 핵 질량 간의 차이는 이렇게 계산되었다. 핵반응을 측정했을 때, 이것들은 아인슈타인이 1934년 현재 질량과 에너지의 동등성을 1% 이내로 계산한 것과 일치하는 것으로 밝혀졌다.

프로카의 거대 벡터 보손 방정식

알렉산드루 프로카는 대규모 벡터보손장 방정식과 핵력의 중원장 이론을 가장 먼저 개발하고 보고했다. 프로카의 방정식은 그의 노벨 연설에서 방정식을 언급한 볼프강 파울리에게 알려졌고, 또한 유카와, 랑젤, 타케타니, 사카타, 케머, 하이틀러, 프뢰흘리치에게도 알려졌으며, 핵물리학에서 원자핵 이론을 개발하는 프로카의 방정식의 내용을 높이 평가한 유카와, 랑젤, 타케타니, 사카타, 케머, 하이틀러, 프뢰리히에게도 알려졌다.

유카와 히데키

1935년 유카와 히데키는 핵이 어떻게 결합하는지를 설명하는 최초의 강력 이론에 대해 제안했다. 유카와 상호작용에서 나중에 메손이라고 불리는 가상 입자는 양성자와 중성자를 포함한 모든 핵 사이에서 힘을 매개했다. 이 힘은 양성자 반발의 영향으로 핵이 분해되지 않는 이유를 설명했고, 매력적인 강한 힘이 양성자 사이의 전자기 반발보다 더 제한적인 범위를 갖는 이유에 대해서도 설명했다. 나중에 파이 메손의 발견은 유카와 입자의 성질을 가지고 있다는 것을 보여주었다. 유카와의 논문들로 원자의 현대적인 모델은 완성되었다. 원자의 중심에는 중성자와 양성자의 촘촘한 공이 들어 있는데, 이 공은 너무 크지 않은 한 강한 핵력에 의해 함께 고정되어 있다. 불안정한 핵은 알파 붕괴를 겪을 수 있는데, 알파 붕괴는 그들이 전자(또는 양전자)를 배출하는 에너지 넘치는 헬륨 핵 또는 베타 붕괴를 일으킬 수 있다. 이들 중 하나가 분해된 후 결과핵은 흥분된 상태로 남겨질 수 있으며, 이 경우 고에너지 광자(감마 붕괴)를 방출하여 지상 상태로 분해된다.

강력하고 약한 핵력에 대한 연구(Enrico Fermi가 1934년 페르미의 상호작용을 통해 설명한 후자)는 물리학자들로 하여금 더 높은 에너지에서 핵과 전자를 충돌하게 했다. 이 연구는 입자물리학의 과학이 되었는데, 입자물리학의 표준 모델인 입자물리학의 과학은 강하고 약하며 전자기력을 기술하고 있다.