박문호 박사 특강 요약 (원자와 양자역학)
한 줄에 꿰는 과학의 향연
Posted on 2025년 2월 27일 2:41 오후
유리와 광물
원자는 영어로 아톰. 톰은 쪼갠다, 분해한다는 말. 아는 부정사. 쪼갤 수 없는 것.
노벨상 받은 세계적 석학 리처드 파인만 "인류가 지금까지 알았던 과학에 관한 모든 지식을 지식 중에서 딱 하나를 선택하라면 우주에 있는 모든 것은 원자로 이루어졌다는 문장" 이라고 함.
원자의 개념은 2천 년 이상 잊어졌다가 1800년도 들어와 영국의 달톤, 톰슨, 나더퍼드, 닐스 보아, 슈르딩거 .. 약 150년 정도의 지적 혁명이 일어나는 과정에서 서서히 더듬어 가면서 완성됨.
우리가 흔히 과학자라고 들었던 1800년 후반부터 1900년 중반까지 수십 명의 영국, 프랑스, 독일 등 유럽의 과학자들이 원자라는 개념을 하나 만들어내는 데서 양자역학이라는 학문으로 완성이 되고 그 양자역학의 혜택을 지금 누리고 있는 게 바로 반도체.
지금 AI 혁명까지 오게 된 실리콘 테클레이트 트랜지스터의 반도체는 양자역학이 없으면 아예 불가능. 실리콘이라는 원자가 3차원 구조에서 어떻게 결정을 만들었고, 우리가 어떻게 전자들을 제어할 수 있는가를 알 수 없다면 현대의 컴퓨터 혁명 통신 혁명 모든 것이 아예 불가능. DNA 구조를 밝히는 것도 불가능. 분자세포생물학도 1950년 이후부터 비로소 시작된 것.
1890년도부터 1940년까지 50년 동안 지적 혁명이 일어난 그 결과로서 원자라는 개념이 완성.
첫 번째는 유리. 유리병을 밀봉해서 공기를 빼면 바로 브라운관 진공관이 됨. 유리공업. 그 다음 우라늄 광물에 대한 연구. 유리에 대한 연구 이전부터 공학적인 것. 그 다음에 음극성 관.
브라운관에 전자총이 있음. 관에다가 전자를 쏘면 스크린에 형광물질이 다시 빛을 내서 형태를 만듦. 그 브라운관이 유리로 되어 있음. 연구 초기에는 그 브라운관 안을 진공으로 만들고 전자를 쏜 것. 그 때는 전자란 개념이 없고 전극이라는 개념이 있었음. 우리가 N극 S극 자석에 전극 전기에서는 플러스 극 마이너스극. 이에 대한 개념은 명확. 볼타 전지는 나폴레옹 시대. 1800년 초.
또 한 기술은 1800년 식민지시대 들어오면 철 텅스텐과 같은 광물이 굉장히 중요해짐. 그래서 광물을 많이 채취하기 시작. 전 세계적으로 은광이 있었음. 은은 경제적으로 굉장히 중요. 독일에서 은광을 발굴하다가 은광의 맥을 끊는 시커먼 덩어리가 자주 발견됨. 피치 플랜드라 불렀음. 피치란 말은 검다, 블랜드라는 말은 쓸모없다는 말. 그래서 버림.
1800년 중반 이후부터 광물학 연구 붐이 일어남. 많은 유럽의 광물학자들이 광물을 산 등을 녹여서 분해하는 과정에서 여러 가지 원소들을 발견. 지금 우리가 희토류라고 하는 그 원소들 10개 이상이 스웨덴의 한 마을에서 나옴.
유리산업, 광산업이 독립적으로 발전했고 유리산업에 의해서 진공관을 만들었다는 것이 역사적 맥락. 원자로 가는 연구의 진척 과정.
1766 - 1886 - 1895 - 1896 - 1897
태양은 불타는 수소. 별은 대략 불타는 수소. 핵융합으로 탐. 인류는 1766년 수소라는 물체에 대한 물질에 대한 감을 잡음.
첫 번째 인물, 케빈디시는 영국의 과학자. 부모로부터 유산을 받아 백만장자가 되어 케임브리지 대학에 기부. 캐빈디시 랩이 생김. 노벨상 30명 이상 배출. 케빈디시 랩의 출신들이 벤처 만든 게 2천 개 이상. 케빈디시도 그곳에서 평생 실험. 만유인력 상수 g를 측정.
염산 황산 질산 초산 등의 산은 분자식으로 적으면 염산은 hcl, h2 so4. 여기에 수소가 있음. 황산에다가 아연과 같은 금속을 넣으면 기포가 올라오는데, 그 기포가 바로 수소. 처음으로 안 사람이 바로 캐벤디시. '소'자는 기본 엘리먼트 핵심이라는 말. '수'자를 물 수 자로 쓰는 이유는 순수한 기체 수소를 모으면 옆에 산소가 있으면 폭발이 일어나고 난 후에 보면 이슬이 맺혀있음. 지금 우리는 수소하고 산소가 만나서 물이 됐다는 걸 아는데 그때는 몰랐습니다. 1776년에 처음 안 사람이 케빈디시.
케빈디시는 바로 산에 어떤 금속이 녹을 때 올라오는 기포에 있는 기체는 뭔지 모르지만 불타게 한다. 폭발하니까 불타게 하고 결과물로 물이 생기더라 그래서 뭔지 모르지만 가장 기본 원소고 물에서 나왔다. 했고 수소라고 한 것. 물을 만들었기 때문에 수소. 물에서 나왔기 때문에 수소를 하는 것이 아니고 이게 산소와 결합하는 것에서 물을 만들었기 때문에 수소. 폭발하고 실린더 움직이면 자동차. 산소하고 수소를 분리했다가 만나게 해주면 폭발적으로 에너지를 내고 물이 남는다.
유리산업이 있어서 유리관을 만듦. 관을 만들고 전극을 달아 배터리가 나왔음. 마이너스 플러스 마이너스 플러스를 해준 것.
접지를 하고 그래서 전극을 했더니, 지금까지 알고 있던 수소라는 기체를 알았잖아요. 이 수소를 집어넣어본 거예요. 집어넣어갖고 여기다가 전압을 여기 마이너스가 이렇게 걸리면 전극에 ..저항과 같은 개념입니다. 그래서 유리에서 공기를 빼고 이 전극을 달았어요. 건전지를 붙였다. 생각하면 돼요. 건전지에서는 전자를 밀어내잖아요. 수소는 원자핵이 있고 전자가 있었잖아요. 모른다 생각해야 돼요. 그런데 이 마이너스 전극에서 전자는 이리 몰려가고 양성자는 안으로 들어오잖아요. 150년 동안 시간을 들이면서 1886년에 알게 된 겁니다.
수소를 집어 넣어보고 브라운관에다가 전극을 걸어봤더니, 밀려나는 플러스의 어떤 흐름을 발견한 거예요. 흐름이라는 것은 총알 나가는 거 하고 빗줄기 떨어지는 것처럼 물방울 두둑 떨어지는 그걸 이렇게 연결하면 선으로 보이잖아요. 그걸 물리학에서 선이라고 해요. 그 선이란 말이 가장 많이 쓰는 게 방사선. 우산 살처럼 360도로 쫙 나가는 걸 방사선이라고 해요. 우산 살 하나가 방사선 하나. 우산 살처럼 물방울이 주르륵 나가듯이 일렬로 나가는 무엇을 발견했어요. 플러스 전극을 걸었을 때 밀려나가는 거니까 플러스. 플러스 전기를 띤 총알이 계속해서 일직선으로 나가고 있다는 걸 발견한 해가 1886년. 그래서 양극선이라고 했어요. 수소 기체를 넣었을 때 그렇다는 걸 알게 된 거예요.
10년 지나 1895년에 사건이 벌어집니다. 이 사건에 비견할 사건은 지난 100년 동안 안 일어났어요.
영국 케임브리지랩에서 브라운관을 잘 만드는 장인들이 나옴. 수십 개 수백 개를 과학자들이 원하는 대로 다 만들어 준 거예요.
케임버리지랩의 톰슨이 음극선 간(후에 붙인 이름)을 갖고 자석을 갖다 대보고 전압을 가하고 온갖 공기를 빼보고 온갖 실험을 시작했어요. 그 과정에서 독일에서도 이 실험이 막 일어났어요. 일어났는데 독일의 어느 별로 이름 없는 대학의 젊은 대학 교수 렌트캔이 이 음극선을 가지고 실험을 하다가 우연히 손을 갖다 댔는데 사진이 찍혀 나온 거예요. 손에 뼈가 찍혀 나온 거예요. 그리고 그 다음 날 자기 와이프가 음극선 관 앞에 손을 댔는데 사진이 찍혀 나온 거예요. 프랑스에서 사진은 이미 발명이 됐고 사진은 현상은 알고 있는 것.
외과의사들 골절상 척추뼈가 다리뼈가 어떻게 있는가 딱 찍어보면 얼마나 금이 갔는지 뼈가 얼마나 파쇄됐는지 금방 알 수 있잖아요. 이 현상을 발견하고 나서 거의 1년 내로 전 유럽이 다 알게 됨. 1990년도 노벨 물리학상의 첫 번째 수상자는 렌트캔.
이를 통해서 원자는 개념으로 가는 주춧돌을 놓게 됨. 엑스레이에 금속이 찍혔죠 뼈가 찍혔죠 간단한 단단한 게 뭐가 찍힌다는 감을 잡았죠. 금가락지는 금은 입체 구조 결정 구조를 갖게 되거든요. 결정 구조를 갖는 것은 엑스레이를 쏘면 이 브라운관이 되면 그 구조가 그 물질을 구성하고 있는 어떤 구성 요소에 배열 패턴이 찍힌다는 걸 알게 된 거예요.
1950년 들어와서 모든 생물학자들이 가장 궁금했던 유전은 일어난다면 세포 내부에서 반드시 어떤 유전을 전달하는 물질이 있어야 되겠다. 라는 개념을 갖고 있었어요. 유전을 전달하는 그 형질을 전달하는 구체적 물질이 뭔가를 찾는 게 생물학에 일어났어요. 핵 속에 있을 거라고 했어요. 세포 핵 속에.환자의 고름을 말려 가루가 되면 결정 구조가 됩니다. 엑스레이를 쏴보니, 헬릭스 구조가 나오는 거예요. 더블 헬릭스 이중나선 구조. 생명공학 혁명이 일어남.
엑스선이 발견되고 나서 지금 인류 80억 중에 생물학 관련 직업을 갖고 있는 사람이 적어도 한 1억 명은 될 거예요. 엑스선 갖고 바로 사람의 고름을 말려서 쪼여, 조사했더니, 핵 속에 있는 물질입니다. 고름이니까 백혈구세포들이 많아요. 그 세포에 핵 속에 있는 뭔지 모르지만 결정 구조를 만드는 구조가 찍힘. 이중나선으로 되어 있다는 게 해명됨. 왓슨하고 크릭이 노벨상을 받게 된 거죠. 이게 바로 엑스선에 발견됐기 때문에 나오는 가장 중요한 부산물이죠.
두 번째 갈래 이야기.
1800년부터 전 세계 광물을 막 채취했잖아요. 우라늄광을 알게 됨. 지금 우라늄 한 덩어리를 주고 만지라하면 도망가겠죠. 그걸 몰랐어요. 퀴리 부인도 자기 지도교수한테 받은 우라늄 덩어리를 피치블랜더 덩어리를 호주머니 넣고 만지고 다녔어요. 나중에 암으로 죽어요. 그때 당시 사람들은 그냥 우리가 돌덩이 하나 생각하듯이 특이한 광물로 은광에서 나오는 부산물 아무런 쓸모없고 돈 되지 않는 찌꺼기 물질. 강물을 산에 녹여 분해해보면 새로운 원소들이 나와요. 알루미늄, 코발트 등 우리가 주기율표에 보는 트랜지스 메탈이라는 이 삼십 개의 원소들이 그때 다 발견이 된 겁니다. 그러니까 새로운 광물이 나오면 이 분석 화학자들이 이걸 녹여 갖고 분석하는 게 붐이 있었어요. 그렇게 발견된 게 우라늄.
우라늄이 지구상에 은보다 더 많습니다. 지구에 바닷물에도 굉장히 많습니다. 1800년 후반 쯤 와서 이 우라늄이 독립된 원소라는 걸 알게됨. 많은 원소 중에 하나. 캠브리지의 캐빈디시 랩은 전부 다 영국 사람들 중심이잖아요. 그런데 프랑스 사람들이 기여를 해요. 퀴리 부인은 폴란드 여자 과학자인데 프랑스로 유학 갔어요.
1896년 스승인 베크렐이 엑스선을 연구. 빗줄기 같은, 빛은 아님. 모든 유럽의 학자들이 혈안이 되어 있었어요. 일단 TV브라운관한테서 나왔다.
햇빛을 비추고 나서 조금 지나서 어두운 데서 가면 이게 빛을 다시 발하는게 형광물질하고 인광물질인데 이거 얼마나 지속하는 그 차이인데 비슷. 형광 물질에 대한 연구가 광물에서 많이 일어났어요. 형광을 잘하는 그 돌을 형석이라고 해요. 형광등 할 때 형자. 우라늄이라는 광물을 가지고 베크렐이 연구를 하고 있었어요. 어느 날 비가 와서 햇빛이 없잖아요. 그러니까 햇빛이 없으니까 오늘 실험은 공쳤다 하면서 덩어리를 서랍 속에 넣은 거예요. 종이로 쌌는데 종이가 감각 물질이었어요. 며칠 후에 와서 서랍을 열어봤더니, 싼 종이 뒤에 형광막이 있었는데, 패턴이 찍혀 나온 거예요. 엑스레이도 점이 찍혀 나왔다고 했잖아요. 점입니다. 이 점 햇빛을 보고 돌을 어떤 돌을 암석을 햇빛을 보고 어두운 데 가면 햇빛이 없는 데 가면 빛을 내는 게 형광이잖아요. 그런데 햇볕이 없었잖아요. 그런데 빛을 낸 거예요. 그럼 그건 형광이 아니잖아요. 바로 이 점입니다. 그 돌이 우라늄 강이었어요. 그 돌에서 나온 게 바로 방사선입니다.
1896년에 인류가 알게 된 것은 우라늄이라는 돌덩어리에서 사방 360도로 뭔가 나오고, 관광막을 설치했더니 영상(점)이 찍히더라. 점이 기하학적 패턴으로 나와요. 그럼 점과 점 사이가 바로 간단히 원자 거리가 됩니다. 그 기하학적 패턴을 3차원적으로 해석을 하면 다이아몬드나 실리콘이나 입체 구조가 어떤 식으로 된 걸 다 알게 되고 거기에 전자분포까지 다 계산할 수가 있습니다. 그때는 그걸 몰랐죠. 우라늄 덩어리에서 뭔가 나오더라 여기까지.
우라늄 광물의 대표적인 게 피치플랜더인데 우라늄 플러스 다른 불순물이 많이 들어있어요. 라디움, 폴로륨.
박사과정으로 온 그 마리가 연구 주제로 우라늄에 불순물이 좀 들어가 있는 피치플랜드를 받음. 마리가 브라룸 광물을 1톤 정도를 산에 녹여서 우라늄을 추출하는 실험을 했어요. 그래서 그 속에서 나온 게 뭐냐 2개의 원소가 발견됩니다. 라듐하고 폴로륨 폴란드 이름을 붙인 원소입니다.
유리관 연구하고 광물 연구 완전히 독립적인 연구가 만났죠. 바로 브라운관을 만들어 갖고 전압을 가했더니, X선이 나왔고 광물에도 뭔가 나온다는 걸 알았어요. 근데 엑스선인지 뭔지 몰라 뭐가 나온다는 것밖에 몰랐어요. 모든 방향이니까 방사선이라 그래요. 광물에서 특히 우라늄 강에서 많이 나온다는 걸 알게 된 거예요.
그래서 이게 나오는 게 뭐냐 모든 과학자가 매달리기 시작. 뉴질랜드에 1800년 후반의 어떤 젊은 고등학생쯤 되는 학생이 감자밭을 캐다가 감자 큰 거 하나를 딱 잡더니, 이 감자는 내가 캔 마지막 감자가 될 거라고 감자를 딱 놓고 곧장 집으로 가서 배를 타고 케임브리지 대학으로 유학을 가요 유명하게 나오는 대목입니다. 바로 라더퍼드가 바로 케임브리지 대학에 장학생으로 합격. 케빈디시행. 그 소식을 받은 날까지도 자기는 감자를 캐고 있었다는 거예요.
원자가 무엇인지 자기 일생을 바쳐서 중요한 부분을 다 밝혀냄.
케빈디시 랩이 수소를 처음 발견했고, 1896년에 음극선 엔터키안의 x선 xray라고 그러죠 x선을 발견. 베크렐의 방사선이라는 현상 발견. 방사선을 방출하는 능력이라고 해서 그걸 방사능이라고도 부릅니다. 두 개 다 같이 써도 돼요. 방사선을 찾아낸 거예요. 그런데 이게 뭔지는 몰라요.
케빈디시랩의 소장인 톰슨이 바로 1897년에 브라운관에 전자총을 넣고 전자를 방출. 마이너스 전기를 걸었을 때 금속판에서 나오는 것이 무엇이지 몰랐는데 팔랑개비를 설치했더니 돌아감.
열을 전류를 흘리면 저항이 높아져 갖고 벌렇게 달잖아요. 빛이 나오잖아요. 그게 바로 백열전등인데 그때 이 텅스턴 필라멘트가 천도 2천도 올라가면 거기서 전자가 튀어나와요. 이거는 열로 가하면 전자가 튀어나온 거고, 열이 아니고 전압을 가해도 전자가 밀려나와요. 지금 우리가 전자인 줄 알았잖아요. 그런데 1897년에 케빈디시 랩에서 이 브라운관(이때 이름은 크룩스관 그다음에 또 가이슬러관 이걸 만들었던 대학 교수)을 주문했고, 장인들 엔지니어들이 만듬.
첫번째는 정교한 팔랑개비. 뭐가 나갔는데 팔랑개비가 돌아. 그러면 이것은 살아있는 콩알 같은 것. 그리고 질량이 있다. 파동이 아니다.
두 번째는 자석을 붙여봤어요. 브라운관 바깥에다가. 선이 휘어지는 거예요. 그럼 휘어졌다 어떻게 아느냐 하면 이 브라운관 앞면에다가 옆면에다가 형광물질을 코팅. 가다가 충돌하면 빛을 내. 찍힌 점의 거리를 잴 수 있죠.전압을 가하고 휘는 정도를 그래프를 그려봤더니, 포물선. 몇 년을 연구. 톰슨이 연구하면서 마이너스 점을 그려줬더니 따발총처럼 물방울처럼 쭉 나가는데 하나의 선. 그래서 음극선이라 불렀어요. 양극선은 여기다 수소를 넣고 했더니, 플러스 전기를 뗐을 때 밀려져 나가니까 양극선이다.
이때 플레밍 왼손 법칙이나 패러데이 법칙 이런 것들이 많이 나왔거든요. 전기 자기에 대한 기본적인 이야기들이 다 전개가 되고 있었어요. 자기장이 걸리고 자석에 힘이 있고 전류가 흐르면 전자가 지나가면 돌아가요. 그게 바로 모터. 코일에 전류가 흐르고 모터에는 강한 자석이 있습니다. 그 자석하고 코일에 전류가 흐르면 회전 운동. 패러데이가 만든 것.
자석을 걸었더니, 휘어졌다는 말은 전기적 현상하고 관계되어 있을 수 있다는 거예요. 콩알 만하다 입자다 근데 이게 전기를 띌 수 있다. 까지 왔음. 전기를 띈 입자가 움직이는 걸 전류라 함. 그리고 전기를 띠고 질량을 가지니까 전기량 엄밀히 전하량하고 질량의 비를 측정할 수 있음.
전압을 안 가하면 그대로 직선으로 오죠 전압을 가하면 좀 조금 휘어지죠 더 가하면 더 많이 휘어지죠. 그럼 전압의 크기를 바꿔가면서 휘어지는 정도를 계산하면 질량이 나와요. 또 전하량이 나오는데 각각 구해지는 건 아니고 전하량하고 질량의 비를 구할 수가 있어요. 그래서 여기다가 온갖 다른 가스를 집어넣어 봄.
브라운관에 수소 질소 넣음. 왜 이 실험이 붐이 일어났을까? x선이 발견됐기 때문. x선 말고 또 다른 거 있지 않느냐. 그래서 케빈디시 랩에서는 바로 브라운관에서 마이너스 전극을 그렸더니, 뭔가 따발총처럼 나오는데 자석을 가했더니, 휘어지더라. 전기를 띄었다. 마이너스 전기를 띠었다. 그런데 작다. 원자 분자 할 때 아들 자 자를 쓰잖아요.
아들 자자하고 전기를 띄었다 결합하면 전자. 처음으로 전자라는 개념이 출현한 거예요. x선이 발견되고 딱 1년 지나서 1896년 전자가 발견.
톰슨이 그걸 확신 다 못했고 다른 학자들하고 많은 과정 속에서 전자라는 개념이 서서히 완성이 되어갑니다. 엄밀히 과학사적으로는 그런데 톰슨이 가장 주체적으로 연구를 오랫동안 했고 그 개념을 잡았기 때문에 전자의 발견은 톰슨한테 공이 갑니다.
브라운관이 만들어져서 그걸 통해서 x선이 만들어졌다. x선이 너무나 충격을 줬기 때문에 어떤 미지의 방사선이 나오는 걸 찾기 위해 혈안이 됐다. 주로 형광 물질을 조사하다가 나왔다. 우라늄 광물 연구가 여기서 결합. 광물을 쌌던 종이에 인화가 된 점이 찍히니까 방사선. 1886년 브라운관. 음극선관. 이 브라운관에서 플러스 전기를 띤 흐름을 먼저 발견했죠. 플러스 전기일 때 선이 나간다 그래서 양극선이라는 걸 앎. 브라운관에 마이너스 전극을 가했더니, 마이너스니까 음극선을 발견했죠. 음극선이 자석에 휘어지니까 질량을 가졌다는 걸 알게 됐고 그다음에 또 자석하고 인텍션 하려면 전기를 해야 되기 때문에 전류가 흐른다는 걸 알게 됐고 그래서 전기를 띤 작은 콩알 그걸 전자라 이름을 붙임. 양성자 없죠 중성자도 없죠. 여기까지 알게 된 거는 1700년도부터 1890년까지 알게 된 거는 전자 하나.
화장지에 쏜 대포알이 정확히 튕겨져 나온다면 믿을 수 있느냐
1911 - 1932 빅토르 프란츠 헤스 - 1935
원자란 개념이 없었죠. 케빈디시랩의 톰슨 베크렐 방사선 이렇게.
1911년 나더퍼드 톰슨 밑에 유학중. 10년 동안 옆에서 실험. 두 번째 중요한 실험. 알루미늄이 지구상에 지구 표면에 철보다 더 많음. 전부 다 알미늄이 산화 알미늄 ar253 형태로 있기 때문에 분리해야. 분리하려면 전기가 많이 들어감. 그래서 알미늄 포일이 아닌 금박을 만들어 놓고 대포를 썼어요. 대포알이 알파입자. 알파입자 아직 몰랐어요. 돌덩어리 우라늄 덩어리에서 뭐가 나온다는 것까지 알았잖아요. 그 우라늄에서 나오는 뭔가 있다는 걸 알았기 때문에 바로 많은 물리학자들이 우라늄 덩어리를 갖고 뭐가 틱틱 총알이 나오니까 그 총알을 갖고 금박에도 쏟아온 거야. 근데 엄밀히 말하면 우라늄이 아니었고 알파 붕괴를 하면 우라늄 92번 알파 입자 양성자 2개 중성자 2개 빠져나오면 이 숫자 2개를 빼면 됩니다. 92에서 그다음에 90에서 2개 빼면 88이잖아요. 88이 바로 라듐. 나드포드가 실험했던 총알의 소스가 라듐. 라듐은 우라늄에서 만들어지는 겁니다. 자연스럽게 만들어진 거예요. 금박을 두름. 스크린처럼 한가운데다가 라듐을 배치. 방사선 발생. 금박을 라듐에서 나오는 뭔가로 탁탁 쏘는 거예요. 그때까지 물리 이론상 통과해야. 그런데 드물게 180도 반사되어 옴. 이걸 발견. 유명한 알파 입자 실험.
방사능을 갖는 라듐을 금박에 쏘았더니, 튕겨나오는 입자가 있다. 쏜게 대칭해 나와요. 단단한 뭐가 있다. 나더포드가 "만약에 당신이 얇은 화장지에다가 대포를 쏟는데 대포알이 정하게 충돌해 대칭되어 나온다면 믿을 수 있느냐". 표현.
원자 속에 공간이 얼마나 많으냐 하면 왜 모든 게 그냥 통과한다고 봤느냐 하면 간단히 지금 식 버전을 이야기하면 원자모형은 원자핵이 있잖아요. 원자핵이 월드컵 경기장의 한가운데 있는 축구공이 원자핵이라 하면 전자는 그 스탠드 한 2300m 떨어진 스탠드를 돌아가는 그 콩알 하나가 전자로 보시면 됩니다. 그러면 그 사이에 수백 미터 공간이 있죠. 원자의 전체 볼륨의 99.9%는 빈공간입니다. 그러니까 모든 걸 쏘면 빈공간을 통과할 거 아닙니까 간단히 이야기하면 그런데 튕겨 나왔다는 것은 뭔가 가운데 어마어마하게 단단한 것이 있다.
충돌해서 대칭이 되어 나오죠. 이걸 계산해 봤더니, 이 가운데에는 단단한 크기가 계산돼 나와요. 그럼 왜 밀어?
라드포드는 이 가운데 있는 무엇은 플러스 전기를 띄었을 거라고 추측했어요. 쏘는 대포알이 플러스 전기를 띄었기 때문에 밀어낸다 생각. 쿨롱 포스라고 하는데 밀어냈다는 거예요. 그래서 그걸 계산하면 되튕겨 나오는 코어의 반지름이 나와요. 그게 바로 원자핵 사이즈입니다. 인류 역사상 원자라는 개념이 어느 정도 만들어지고 있습니다.
원자란 개념을 맨 처음에 했던 거는 달톰.
푸딩 모델이라고 하는데 식빵에 건포도가 박혀 있잖아요. 식빵에 박혀있는 건포도가 전자고 밀가루 빵이 바로 플러스 전기를 띄었다. 1900년 초까지도 원자는 이렇게 됐다고 생각해요. 원자는 전기가 중성이라는 개념. 전자는 찾았잖아요. 전자 마이너스 디지털을 알았잖아요. 그러면 이거는 반드시 어떤 물질이라도 다 있을 거라고 추정. 거시적 원자는 반드시 전기 중성이어야 되기 때문에 이 전자 마이너스를 상쇄할 플러스 전기가 있어야 된다. 플러스 전기를 띈 물질이 구름처럼 있는데, 거기에 건포도라는 전자가 박혀있다. 그런데 전기량은 더하면 제로가 된다.
10년 후에 나더포드가 광물로 실험하면서 이름을 먼저 붙임. 헬라어 그리스 문자의 순서 그대로 알파 베타 감마. 우리나라면 가나다. 그만큼 몰랐다. 라더퍼드가 실험. 직선으로 나올 때 이 물방울은 무엇인가. 첫 번째, 자석을 갖다 댐. 휘는 정도를 보면 질량을 알 수가 있음. 스크린에 탄착점이 어디에 생기느냐 찍어보는 거.
알파선은 종이 한 장만 해도 통과 안함. 베타선은 종이 하나를 간신히 통과하고 그냥 얇은 아주 철판 같으면 그냥 딱 스탑. 감마선은 두꺼운 철판을 해야만 막더라. 세기 순서로 알파 베타 감마가 된 거예요.
자석을 갖다 댔더니, 알파선은 살짝 휘는 거예요. 베타선은 확 휘는 거예요. 확 휜다는 것은 질량이 크다는 거. 나중에 이 베타선이 전자라는 걸 알게 됨. 플러스 전기를 뜻하는 걸 알게 되고, 질량이 어마어마하게 크다는 걸 알게 됨.
알파 포탄은 방사능을 띤 물질에서 나온다는 걸 알게 됨. 1911년 라더퍼드 원자모델이 주목을 받음. 라듐이라는 방사능을 띈 물질에서 알파 대포가 나온다. 금포일에 단단한 것. 사이즈를 재봤더니, 계산할 수가 있다.
당시 물리학 이론으로 존재할 수 없는 모델. 그래서 다른 이론이 필요.
전자가 이렇게 돌아간다. 속도 v로. 그러면 에너지를 방출. 전기를 띤 전자가 원운동을 하면 움직이는 방향이 계속 바뀜. 움직이는 방향이 바뀌는 운동을 가속운동이라 함. 가속운동을 하면 반드시 힘이 들어감. 뉴턴의 공식. f가 힘. a가 가속도. 또 질량. 전자가 가속 운동을 하면 순수 에너지를 방출. 그 에너지는 전파. 전자기파. 전자기파를 방출. 전자기파가 에너지기 때문에 빛도 전자기파의 아주 좁은 부분.
에너지가 줄어들면 궤도가 줄어들어야. 점점 줄어들면 전자가 양성자 핵 속으로 들어와 버린다. 그럼 원자가 붕괴. 존재하지 않게 됨. 물리학자들이 라더포드의 모델은 쓸 수 없다 돼버림.
닐스 보어, 양자역학의 문을 열다
갓 박사학위권 끝낸 닐스 보어가 나더포드 밑으로. 닐스 보아가 인류 역사상 가장 위대한 두 가지 가설을 가정.
지금까지 이론 갖고는 충돌해야 되는데 계속 돌아가게끔 만들어야 되거든. 원자핵 주위로 전자가 계속 돌아가게끔 만든 두 가지 과정.
첫 번째 과정. 닐스 보아 가정. 전자가 돌 수 있는 궤도는 연속적으로 줄어드는 나선형이 아니라 그냥 정해져 있다. 한 개 두 개 세 개 몇 개로 정해져 있다. 궤도 양자화 과정.
지금까지 밝혀진 것은 일곱 번째까지. 주기율표. 7층.
두 번째 가정. 전자가 1번 궤도를 돌다가 2번 궤도로 올라갈 수 있다. 아파트가 있다면 1층 2층 3층 그것과 같습니다. 2층이 더 높잖아. 에너지가 더 높잖아요. 1층에서 2층으로 올라가려면 다른 에너지를 받아야. 전자가 빛 에너지를 받아 2층으로 올라가면 1층으로 내려올 수 있음. 내려올 때는 자기가 흡수했던 애를 토해내야 돼요.
램프의 불꽃에다 소금만 넣은 된장국 끓이다 보면 그 거품 나고 불이 붙음. 노란 색깔. 나트륨 원자에서 나오는 색깔. 거기서 나트륨 원자 주위를 도는 전자가 내는 빛이 노란색. 원자마다 빛을 낸다는 걸 100년 전부터 알고 있음. 분광학이라는 분야가 결합.
닐스 보아가 했던 궤도가 1층 2층 3층 밖에 없다는 것과 빛이 나오는 색깔의 관계가 계산으로 딱 맞아. 양자역학의 문을 열어버린 거예요.
톰슨이 세계적 학자인데도 그 이론이 얼마나 황당해요. 식빵 전체는 전기가 0여야 되기 때문에 이 전자 마이너스하고 마이너스를 없애버릴 플러스가 있어야 되잖아요. 플러스가 이 식빵 덩어리 전체라는 거예요. 여기 힘 있나요? 코어가 있나요? 핵이 없잖아. 이게 바로 1897년까지 이렇게 생각했다는 거예요. 1900년 초까지도 생각했다고 보시면 돼요. 그러다가 바로 그 밑에 있었던 나더 포드가 원자가 이런 게 아니고 뭔가 가운데 어마어마한 단단한 복숭아씨 같은 게 있다. 그리고 살구씨 같은 그 코어가 플러스 전기를 띠고 무지하게 적다 그것까지를 알게 됨. 플러스 전기를 띤 코어하고 마이너스 전기를 띤 게 원 운동을 할 거라고 가정을 한 거예요. 그게 원자 모델이었음.
닐스 보어는 강제로 하나의 궤도가 있고 그 다음 궤도가 있고 그 다음 궤도가 이렇게 상정한다. 그 중간 궤도는 없다. 이렇게 딱딱 떨어져 있다. 덩어리져 있다. 덩어리를 쿼터라고 해요. quantumpis 양자역학이라는 말은 덩어리진 학문이다. 조각이 없다. 정수로 되어 있다는 거 1 2 3 4 5 이지 1.5 1.7 2.8 는없다는 거예요. 전자가 이 궤도만 돌기 때문에 에너지를 안 잃는다고 가정.
그다음에 에너지를 흡수하면 더 높은 궤도로 옮겨갈 수 있다는 거.
모든 빛이 1층으로 떨어지면 2층에서 1층 3층에서 1층으로 떨어질 때 내는 빛을 바로 자외선이라고 해요. 그다음에 2층으로 3층에서 2층 4층에서 2층 5층에서 2층 2층으로 떨어질 때 내는 빛을 그걸 우리가 가시광선이라고 해요. 그다음에 3층으로 떨어질 때 5층에서 3층 4층에서 3층으로 떨어질 때 방출하는 빛을 적외선이라고 그래요. 떨어지는 갭이 크면 클수록 빛의 파장은 줄어들고 에너지는 높아져요. 이걸 엄밀히 이론으로 계산한 거예요. 그러면 나오는 파장이 숫자로 계산되죠. 그걸 그걸 이전에 계산했던 측정했던 값하고 매칭을 했더니, 소수점 이하까지 다 맞게 된 거예요. 이 모델을 닐스 보아 모델이라고 합니다.
시작이 바로 베카렐이라는 방사능을 했고 그 우라늄 광물에서 뭔지 모르는 입자가 나왔다. 그 입자가 바로 다스포드가 알파 베타 감마. 브라운관이 중요. 자석을 댔을 때 밑으로 흐르는 건 마이너스 음극선 위로 흐른다면 양극선 이렇게 이름 붙일 수 있다는 거예요. 질량과 전하량도 여기서 측정.
라더포드가 금박에 쏜 알파 입자는 질량이 4요 플러스 전하가 2개. 금은 원소 기호가 79번. 알파 입자 질량의 수십 배. 탁구공이 단단한 쇠공에다 치면 쇠공은 가만히 있고 탁구공이 되튕겨 나옴. 계산해보면 안에 코어의 사이즈하고 전기량을 대충 알 수가 있어요. 단단한 플러스 전기를 띤 게 뭐가 있다.
왜 되튕겨져 나오느냐 하면 플러스 전기끼리 밀었다. 그래서 가운데 있는 원자의 가운데 있기 때문에 원자핵이다. 되튕겨져 나온 거는 서로 밀었다. 무슨 힘으로? 전기 힘으로. 같은 전기끼리 미니까 쏘는 것도 플러스였기 때문에 이쪽도 플러스 전기를 떼었을 거다. 이론 모순을 극복하는 과정에서 궤도가 1 2 3 똑똑 끊어져 있다. 덩어리져 있다. 그래서 양자역학 시작.
태양빛의 9% 자외선, 40% 적외선, 40% 가시광선입니다. 태양 속에 다 있어요. 그래서 가시광선은 보이지만 적외선은 자외선은 눈에 안 보이잖아요. 근데 곤충들은 자외선을 볼 수 있습니다. 적외선은 적외선 카메라로. 닐스 보어 모델에서 도출.
캐빈디씨가 맨 처음에 수소를 발견. 양극선 골드스미트가 발견. 톰슨의 스승. 양성자라는 건 몰랐어요. 자석을 가했더니 휘는데 수소 말고 일산화탄소도 넣어보고 뭐 다른 기체를 많이 넣어봤어요. 그때 많은 기체가 발견.
이게 휘어지는 정도가 다 다름. 수소를 넣었을 때 가장 많이 휘어진다. 많이 휘어지면 질량이 적다. 유럽 학계에서는 수소의 핵이 질량이 가장 가볍다 의견을 모아.
질소 분자에다가 알파 입자를 쏨. 초기 원자 실험은 알파 입자로. 이게 가장 큰 덩어리였으니까. 알파 입자는 양성자 2개 중성자 2개. 양성자 질량이 전자질량의 거의 2천 배쯤 되거든요. 그러니까 전자 질량의 8천 배.
질소가 산소로 바뀌어버림. 산소 기체를 그때 앎. 프레슬리 라부하지에. 알파입자를 쐈는데 왜 질소가 산소로 바뀌었느냐.
알파 입자를 입사 했더니, 산소가 남고 빠져나온 것을 모아서 산소를 넣어봤더니 펑 하고 폭발. 수소였음.
이 실험이 대략 1919년도에 일어남. 인류 최초 핵 변환.
우라늄 92가 방사선 붕괴하면 납이 됩니다. 82번이요. 자전적으로 원소가 바뀝니다. 방사성이라고 해요.
사람들이 다른 실험을 해봤어요. 다른 기체도 해봤더니, 항상 수소가 나온다는 걸 알게 된 거예요. 질소 안에 수소가 들어있다는 말. 산소를 해도 이렇게 나왔다면 산소 안에 수소가 들어있다는 말. 원자핵 개념. 모든 기체에서 이게 마지막으로 나온다면 모든 원소의 코어에는 수소가 있다고 가정하는 게 합당한 가정이죠. 기본 엘리먼트는 질량이 가장 가벼워야 되겠죠. 질량이 크다는 거는 다른 걸로 합성됐다고 볼 수 있잖아요. 수소가 가장 가볍다는 걸 알게 된 거예요.
두 번째는 원소의 그 원자의 핵에 수소가 있지 않으냐 그러면 가장 가벼운 핵은 수소핵일 거 아니냐라고 논리적으로 귀결. 질량을 재봤더니, 가장 가까운 이 핵의 정수로 질량이 계속 올라가는 걸 알게 된 거예요. 그러면 수소 질량이 1이다. 헬륨은 2.
가장 큰 코어는 바로 가장 가벼운 기체 수소고 수소의 원자핵은 바로 양극선에서 나왔던 것.
캐빈디시 랩이 만들어지고, 수소를 발견한 거예요.
100년 이상 후에 골드스미트가 양극선을 발견했어요. 플러스를 전기 띄었는데 질량은 계속 가볍다
그 다음에 음극선이 나와서 전자가 규명. 양극선은 아직 몰랐음.
나드포드가 원자핵이라는 개념을 만들어냄.
원자핵이 뭔지는 몰랐는데 질소나 다른 기체에 대해서 이런 실험을 알파 입자를 쏘는 실험을 해봤더니, 그 질소나 다른 원소에서 톡 튀어 나오는 게 이쪽에 했던 양극선에서 나오는 것하고 같은 게 나왔어요. 그러면 양극선은 수소 기체를 넣고 했으니까 수소였거든.
수소 원자를 구성하는 원자핵은 플러스 전기를 띄는데 가장 적은 무엇이라는 개념이.
이름을 붙임. 프로톤. 최고의 최우선의 이런 말입니다. 그리고 양극선이 발견된 순간에 이게 수소 원자의 핵이라는 게 결정.
그 원자핵이 뭐냐. 실험 결과 그게 양극선에 나온 것과 같을 수가 있다. 가볍고 플러스로 연결됐다. 그래서 가장 가볍고 플러스 전기 때문에 최초다 플러스 쪽으로 최초다 그래서 프로톤 이름 붙이고 지금 양성자가 된 거예요. 바로 수소 원자핵. 그리고 전자가 들어온 모델.
당시 아주 미세한 질량들을 쟀어요. 그때 당시에 주기율표에 60개 정도를 알았어요. 주기율표를 질량 순서로 나열했어요.
수소가 1이고 헬륨이 2고 리튬이 3이고 벨륨이 4고 이렇게 질량 순서로 나열. 1911년까지는 중성자라는 개념이 없고 원자핵은 양성자로만 되어 있다고 생각. 원자핵을 핵전자란 개념으로 옆길로 빠져버림.
처음에 전자란 개념이 만들어졌죠 그다음에 원자핵이라는 개념이 만들어졌죠 근데 원자핵이 뭔지 몰랐잖아요. 처음에 양극선을 발견했죠. 그런데 양극선이 뭔지 몰랐죠 어쨌든 수소 가스하고 관계가 있다는 정도만 알았죠. 1766년에 수소가스를 알고 100년 지난 1866년에 수소가스를 브라운관에 집어넣어서 전압을 가해봤더니, 뭔가 선이 나오는데 이게 플러스 전기를 띠었다는 걸 알게 됐다는 거예요. 그런데 뭔지 모르겠어요. 수소하고 관련됐는데 플러스를 띠었다는 정도밖에 몰랐어요. 그다음에 어떻게 됐어요. 톰슨이 음극선을 찾았죠. 그런데 음극선에 자석을 댔더니 휘고, 마이너스 전기를 띄고 질량이 적었기 때문에 전자라고 이름을 붙였다고 했죠. 그래서 원자 모델을 만드는 게 아니라 식빵 같은 모델밖에 못 만들었다는 거예요.
나더퍼드가 1900년 초에 했던 한 단계 도약은 원자는 중심에 어마어마한 덩어리, 원자핵이라는 개념으로 완성이 됐죠. 원자핵하고 전자를 결합해서 태양계 모델 같은 게 나왔죠.
원자핵이 뭔지 몰랐다. 10년 이상 실험 결과 원자핵이 플러스 전기를 띄었는데 원소가 질량을 따져보니 산소는 수소보다 10배 이상 무겁고 질소도 한 7배 무겁다. 전자는 아주 가볍다는 걸 알았고 그 다음에 수소 원자핵하고 전자의 질량 관계를 알았어요. 감으로 알았어요. 브라운관에서 휘는 걸 계속 측정하다가 가스를 다 바꿔가면서 하다가 전자 질량이 수소가스에 있는 원자핵에 해당되는 것의 질량의 대략 1천분의 1쯤 가볍다는 걸 알았어요. 뒤집으면 수소 수소의 코어에 있는 거는 수소의 본질은 전자보다 질량이 천 배 쯤 된다는 걸 알았어요. 엄밀히 나중에 알고 봤더니, 그게 1860배.
실험 도구는 딱 하나. 대포알이었다는 거예요. 쏴서 튀어나오는 걸 조사. 대포알을 어디서 찾았나? 그게 바로 방사능. 알파 입자에서 거기까지 왔음.
우리 세포 속에는 원자가 거의 없습니다. 원자가 없는 대신 전부 다 이온 상태로 있습니다. 원자는 전기가 중성이기 때문에 어떤 힘을 발휘할 수 없습니다. 그런데 우리 세포에서는 생화학 작용이 일어나잖아요.
단백질이 만들어지고 꽃이 피고 광합성을 해야 되고 모든 생화학 작용이 일어날 때는 뿌리에는 전기적 작용이 있어야 돼요. 전기가 제로면 작용을 할 수가 없어요. 원자는 전기가 제로예요. 작용을 못해요. 그러면 원자핵 주위를 도는 전자가 많거나 적어야 돼요. 그걸 이온화 과정이라고 해요. 그래서 전자가 많으면 음이온 전자가 부족하면 양이온. 음이온이 몸에 좋다 들어보셨죠. 실생활에 쓰는데 뭔지 모르는 거.
덜 만들어진 상태, 부족한 상태로 작동한다. 부족하니까 아쉽죠 아쉬우니까 서로 작용을 하는 거예요. 원자는 완성되어 있는 거예요. 완성됐다는 말이 전기 제로라는 말이에요. 아쉬운 게 없다는 거예요. 그래서 우주에서 원자 상태로 있는 경우는 극히 드뭅니다. 원자 상태로 있는 거는 성간 물질. 원자 상태로 있으려면 온도가 영하 거의 한 150도 이하로 떨어져야 돼요. 주위에 누가 건드리지 않아야 돼요. 고고하게 우주 공간의 수소 원자는 있어요. 그래서 원자라는 것은 지독하게 고립된 ideal한 상태. 드물게 있음. 대부분 분자상태나 이온화된 상태나 동위원소 상태로 있다는 거예요.
아쉽거나 넘쳐나는 게 뭐냐 하면 바로 전자예요. 그래서 전자를 공유하는 거예요. 그래서 공유 결합이 출현하는 거예요. 그러니까 원자 상태로 작동하는 게 아니라는 거야. 원자가 가까이서 스스로 작용을 해줘야 된다는 거예요. 그래서 생명은 세포는 아쉬운 상태예요. 원자폭탄 터지고 지구가 열을 내고 별이 핵융합하고 이 과정은 동위원소를 알아야 돼요. 그럼 동위원소란 개념은 전적으로 핵에 가는 개념이에요. 중성자는 일상용 거의 안 쓰여요. 주기율표는 바로 중성자의 색. 그 정도로 중요해요. 수소 원자만 빼고 모든 헬륨 리튬 카본 금 수은 모든 원자핵에는 중성자가 어마어마하게 들어있어요. 근데 그걸 몰랐다.
중성자를 어떻게 발견했을까
나드포드 노력으로 원자핵이 양성자라는 것을 앎. 모든 원소는 코어에 반드시 수소 성질을 갖는, 수소하고 관련되는, 수소 원자핵인, 양성자가 있을 거다. 그럼 수소를 기준으로 해서 질량을 재면 된다. 그래서 특정한 질량이 원자핵이 수소 양성자로만 되어 있다고 가정했을 때 하고 값이 2배 차이가 났다는 걸 알게 된 거예요.
예를 들면 카본이 6번이잖아요. 6번이라는 말은 양성자가 6개란 말이거든요. 그러면 근데 질량을 재봤더니, 전자질량은 거의 제로에 가깝잖아요. 전자를 무시해버리면 돼요. 양성자가 6개고 그럼 6번인데 그럼 질량이 6이 나와야 되잖아요. 그런데 질량을 재봤더니, 수소 기준으로 6이 아니고 12가 됐다는 거예요. 6의 2배 12라고 했더라고요. 질소도 어떻게 되냐면 질소를 질소는 양성자 7개이기 때문에 7번이잖아요. 원자 번호는 양성자 번호거든요. 7번인데 질량을 쟀더니, 14가 나온 거예요. 14라는 말이 뭐냐 하면 수소 원자 질량을 1이라 하면 그 14배 질량이 나왔다는 거예요. 원자핵이 그때까지는 양성자로만 되어 있기 때문에 양성자 7개잖아요. 그러면 질량이 7이 돼야 되잖아. 근데 질량이 14가 나왔다는 거야. 이게 모든 원소에 그렇다는 걸 알게 된 거예요. 그러면 반이 반을 만들어내야 되잖아요.
방사선이 알파선 베타선 감마선이고 거기서 나오는 알파선이 질량이 크다 그랬잖아요. 금속이잖아요. 베르름에도 알파 입자를 쐈더니 뭐가 나와요. 뭐가 튀어나와요. 뭔지 모르지만 튀어나오는 걸 수소가 많은 파라핀에다 쏘여봤더니 파라핀에서 수소가 나온 거예요.
한 가지 알았던 것이 있습니다.
당구공의 특징은 두 개 질량이 같다는 거잖아요. 바로 이 점이요. 벨륨이라는 금속에다가 알파 입자를 쐈어요. 튀어나온 입자를 다른 물질에 쏴봤더니, 또 입자가 나오는데 이 입자가 수소 원자가 나오는 거야. 수소 질량이 나오는 거야. 질량이 비슷하다고 가정하면 맞죠. 그래서 이 튀어나오고 양성자를 알았어. 수소를 알았으니까 양성자 질량 쯤 되고 두 번째는 뭐냐 하면 여기에 만약에 양성자가 있으면 여기에 쏘는 당구공이 전기를 띠면 되튕겨 나올 거 아니야. 충돌할 수 있었다는 것, 안 튕겨 나왔다는 것은 전기를 안 띄었다는 말이에요.
알파 입자는 어땠어요. 금 원자핵 있잖아요. 그 원자에다가 금 원자핵은 전기를 띄었거든요. 그 다음에 알파 입자를 쏘기 때문에 플러스 플러스 밀어냈잖아요.
질량이 비슷한데 그러면 이게 튀어나온 게 양성자라는 건 알았지 그럼 거기에 쐈던 것도 양성질이랑 비슷하다는 걸 유추할 수 있죠. 그런데 튕겨 나오지 않고 충돌할 수 있었던 건 뭐냐 하면 전기가 제로고 양성자만한 질량을 가진 입자를 가정할 수 있어요.
전기를 안 띄었는데 양성자만 질량을 가졌다 그래서 이름 붙인 게 뭐냐면 전기가 제로이기 때문에 중성자. 벨륨에서 방출된 입자가 바로 중성자라는 걸 알게 된 거예요.
실험 도구로 썼던 건 다 알파 입자예요. 그래서 여기에서 방사선을 알았잖아요. 방사선이 알파 베타 감마 특히 이 알파 입자 그렇죠. 이 알파 입자가 뭐냐 하면 바로 모든 실험 도구 충돌 대포로 썼던 거예요. 그래서 핵물리학은 딱 이것만 이해하시면 돼요. 알파 입자로 갖고 대포를 써갖고 두드려서 모든 걸 알아냈다 이렇게 이해할 수 있어요. 핵을 톡톡 건드려 본 거예요. 건드렸더니 핵이 쪼개져 가지고 뭐가 나온다는 거예요. 알파입자는 방사능을 띄는 물질에서 나왔고, 물질은 광물이었고, 광물 중에 우라늄을 많이 썼다. 그래서 막 암에 걸려 죽고 그랬다는 거예요. 그러면 우라늄에서 왜 나오느냐?
주기율표 다 만들어졌다 합시다. 우라늄은 92번이잖아요. 그럼 92번이면 양성자가 92개잖아요. 원자핵 안에 중성자가 있다는 거 알았잖아요. 베를륨에 알파입자를 쏴서 튀어나오는 입자가 중성자라는 것까지 알았잖아요. 그런데 중성자하고 핵하고는 무슨 관계인가를 몰랐다는 거야. 과정을 이해해야 원자핵이 완성이 됩니다.
카본이 양성자가 6개잖아요. 그러면 중성자가 없다고 생각하고 초기 버전으로 그럼 양성자가 플러스 연결됐잖아요. 그럼 밀어낼 거 아니야. 근데 어떻게 원자핵이라는 조그마한 공간에 갇혀 있을 수 있냐 이거예요. 모순이잖아. 밀어내는 힘보다 더 강한 힘이 당겨줘야 되잖아요. 바로 그게 핵력이에요. 1935년에 유가오 히데키가 중간자 이론으로 원자핵 모델을 일단 만들어 낸다.
중성자가 원자핵 속으로 들어와야 되는 과정입니다. 들어와야 될 이유는 없습니다. 그 이유를 찾아가야 돼요. 양성자만 있다면 밀어내는데 중성자가 들어오면 중성자하고 양성자끼리 당긴다고 가정해보는 거예요. 그래서 핵력이라는 개념이 나오게 되는 거예요. 핵력은 전기 플러스인지 마이너스인지 아무 관계없어요. 핵력은 그 입자들이 가까이 있으면 당기는 힘으로 작동해요.
근데 플러스 전기하고 전기가 없는 거 하고도 당겨요 전기가 없는 것끼리도 당겨요 전기가 있는 것끼리도 당겨요 그럼 플러스 플러스끼리도 당겨줘요 그런데 한번 생각해보세요. 플러스 양성자가 두 개 세 개 네 개 정도 있을 때는 그 미는 힘은 쿨롱 힘이죠. 전기적 힘이죠. 근데 원자력이 핵력이 당기고 있죠. 그러면 핵력이 힘이 세면 양성자가 2개 3개 20개까지는 문제가 없겠죠. 근데 우라늄쯤 되면 양성자 92개가 되죠. 대략 핵력하고 전자기력 전기력 당기는 힘의 비가 1대100쯤 돼요. 대략 1대100 정도로 생각하면 이런 개념이 나와요. 양성자가 99개쯤 되면 100개쯤 되잖아요. 그러면 양성자끼리 밀어내는 힘이 양성자와 양성자까지 결합하는 힘하고 비슷해져 버리잖아. 그럼 조금만 건드리면, 붕괴해버리잖아.
바로 그게 방사능.
방사능을 띄는 물질이 모두가 다가 아니고 주기율표 1번부터 한 20번까지는 방사능을 잘 안 띄어요. 방사능은 80번 이상 많이 띄어요. 핵력은 전기하고 관계없으니까 중성자만 있어도 돼요. 양성자끼리도 당겨줘요. 중성자와 양성자끼리도 당겨져요. 중성자와 양성자를 구별하지 않는다는 게 핵력의 가장 중요한 개념입니다. 그러니까 중성자 개수가 몇 개 더 들어가면 당연히 많아지겠죠. 당연히 그러면 어떻게 되겠어요. 1번부터 20번까지 20번 칼슘까지는 양성자 개수하고 중성자 개수를 같게 두는 게 가장 많은 원소예요. 그게 안정된 상태예요.
카본은 양성자 6개 중성자 6개 질소 양성자 7개 중성자 7개 산소 양성자 8개 중성자 8개 이렇게 되는 게 압도적으로 많은 거예요. 그게 안정됐어요. 그런데 그게 20번까지는 그렇다는 거죠. 20번에서부터 70번까지는 양성자 개수가 점점 많아지잖아요. 그럼 밀어내는 힘이 점점 강해지잖아요. 그럼 당기는 힘이 좀 더 많아지려면 중성자 개수를 양성자 1개 대 중성자 1개 하는 것보다 중성자를 조금 더 많이 집어넣으면 된다는 거예요. 그래서 주기율표 20번에서부터 주기율표 70번까지는 대략 근사적으로 양성자 하나에 중성자 한 개 반 정도여야 된다는 거예요. 그렇게 되는 원자핵이 Stable 해진다.
70번보다 무거운 원소는 그러니까 양성자 하나당 중성자가 두 개 정도 되어야 된다는 그래서 어떻게 되냐면 원자폭탄 만든 우라늄은 중성자 양성자 합친 개수가 얼마였냐 하면 235개입니다. 그러면 양성자가 92개. 우라늄이 235에다 92개 빼면 중성자 개수는 143개. 거의 거의 2배 가까이 이렇게 가까이 안정이 된다는 거예요. 이렇게 92가지 원소가 만들어진다. 양성자끼리만 있으면, 20번 이상 되면, 양성자가 많아질수록 밀어내는 힘이 커지잖아요. 그러면 핵력은 양성자 개수가 많아지면 중성자가 많아지면 핵력이 점점 많아질 수가 있잖아. 그래야 가둬놓을 수가 있잖아. 그런데 양성자 개수가 일단 많아지면 얘들끼리 밀어내는 힘이 많기 때문에 조금만 건드려도 얘들이 쪼개진다는 거죠.
중성자와 양성자하고 양성자와 양성자끼리가 좁은 핵 속에 있으려면 당기는 힘이 생겨야 된다는 데서 원자력이라는 유하와 히데키의 이론이 나오게 된 거예요. 1935년에 그리고 이 사람이 일본에서 1949년 노벨상을 받고 어마어마하게 유명해진 겁니다. 근데 양성자와 양성자 중성자와 중성자 사이에 당기는 힘은 모든 힘은 입자가 매개해줘야 돼요. 그때 나오는 입자를 중간자라고 해요. 이 중간자가 나중에 파이원하고 다른 입자하고 관련됐다는 게 쭉 밝혀지면서 입자물리학이 확 발전하기 시작합니다. 그 입자 물리학이란 말은 양성자 중성자 전자를 독립된 입자로서 연구하는 겁니다.
우리가 레고 블록을 분해해 봐야 언제든지 다시 조립할 수 있다. 지금 우리 교육이 원자라는 개념을 분해하지 않기 때문에 응용을 못한다. 분해해봤더니, 거의 150년 이상 역사가 이 속에 새겨져 있다. 거기서 한 세 가지 큰 도약을 했는데 첫 번째 먼저 전자가 발견이 됐다. 그러면 전자를 어떻게 발견할 수 있었냐 하면 브라운관이 나왔고 거기다 자석을 걸어줘 갖고 전자가 휘는 정도로 보고 휘는 방향을 보고 마이너스 전기를 띠었고 질량을 유추했고 그 다음 뭐냐 하면 방사능이 발견됐다.
방사능이 발견을 촉발시킨 게 x선이잖아요. 이 x선이 바로 음극선처럼 양극선처럼 따발총처럼 나가는 선이라는. 그런데 본질이 뭔지 몰랐잖아요. 음극선이 그래서 음극선이 뭔가를 연구하는 과정에서 음극선을 일단 이런 방사선을 연구하는 것에서 x선이 발견됐잖아요. x선이 발견되고 나니까 어떤 다른 데서도 x선 같은 미지의 방사선이 뭔가 나오는 걸 찾다가 광물에서 찾아냈잖아요.
그게 바로 방사선이 됐고 그 방사선을 라도포드가 알파 베타 감마로 분류를 했고, 알파선은 나중에 알고봤더니, 어마어마하게 무거운 질량을 갖고 있는데, 양성자 2개 중성자 2개가 딱 덩어리가 한 입자처럼 작동한다는 걸 알게 됐고 양성자 2개 있다는 것으로 플러스 전기를 띄었다 알게 됐고, 전자는 질량이 무지하게 가벼운데 많은 전기 띄었다는 것을 알게 됐고, 그 다음에 바로 감마파는 바로 전자기파 중의 하나고 빛의 일종인데 파장이 굉장히 짧은 파장이다. 그래서 알파 입자는 질량이 굉장히 큰데 덩어리가 크다 보니까 물질을 통과하다가 충돌을 많이 하잖아요. 전기적으로 전기를 띠잖아요. 덩어리가 크고 전기를 띄기 때문에 충돌을 하면서 에너지가 금방 감소를 해버려요 그래서 종이 한 장으로 막을 수 있어요. 그런데 베타선은 질량이 적고 전기를 띄기 때문에 멀리 가는 거예요. 투과를 말하는 거예요. 모든 물질은 전자가 있잖아요. 그런데 전자 하나가 원자 주위를 전자하고 인텍션을 하긴 하는데 적어요. 그렇게 해서 멀리 갈 수 있는 거야. 그러니까 두꺼운 아크릴판이나 이런 걸 갖고 막을 수가 있어요.
감마선은 질량은 없잖아요. 빛이니까. 질량도 없고 전기를 안 띄기 때문에 어마어마하게 약해요. 그런데 에너지가 굉장히 커요 순수한 에너지 덩어리이기 때문에 투과력이 콘크리트 벽으로 막아야 된다는 거예요. 그럼 전기를 안 띄다는 걸 어떻게 알게 되었냐면 자석을 갖다 붙여봤더니, 직진을 한다는 거예요. 우라늄에서 나온 것을 분석하는 과정에서 알파 베타 감마파가 명확. 알파파가 양성자 2개고 중성자 2개잖아요. 그러면 우라늄 원자핵에서 알파파가 나오면 알파 입자가 나오면 양성자 2개가 빠져나버리잖아요. 그럼 우라늄 뭐가 되겠어요. 92번 우라늄에서 90번 토론이 된다는 거예요. 이게 바로 인공 자연적 방사능 핵 변환이 되는 거죠. 다른 원소가 되어버렸다는 거예요. 바로 연금술사 꿈이 이루어진 거예요. 그래서 이 원자핵이라는 개념을 안다는 것은 바로 우리가 원자력 발전소 원자폭탄 핵융합까지를 아는데 가장 a b c d에 해당돼요.
알파붕괴
원자라는 개념을 갖고는 하나도 쓸 수가 없어요. 원자핵이라는 개념. 주기율표 1번부터 대략 20번까지는 원자핵이 양성자 하나이면 한개 당 중성자 1개 비율로 하는 게 안정됐다고 했죠. 그래서 카본이 양성자 6개 중성자 6개 그리고 질량이 12가 되고 질소는 양성자 7개 중성자 7개 질량이 14가 되고 곱하기 2를 해주면 된다는 거예요. 그래서 아까 질량이 두 배가 됐다. 하는 그 이야기가 그거하고 관계 있는 겁니다. 엄밀히 말해서 그게 1대1 양성자 개수하고 중성자 개수가 1대1 정도면 좋다고 하는데 그게 엄밀한 법칙이 아니요. 그러니까 보세요. 리튬 같으면 어떻게 되겠어요. 다시 수소를 볼게요 수소인 경우에는 양성자 딱 하나밖에 없잖아요. 중성자 하나 들어가도 돼요. 그게 바로 중수소입니다. 조금 불안하긴 한데 그다음에 중성자 두 개 들어가도 돼요. 삼중수소 그런데 중성자가 없어도 수소 양성자만 있어도 수소 원자핵 그다음에 중성자가 하나 양성자가 하나여도 중수소 무거운 수소 그다음에 중성자 두 개 양성자라도 삼중수소 다 수소라고 부르잖아요. 중성자 개수만 다른 이 원자핵 관계를 동위원소라 그래요. 그래서 우리 주기율표의 원소는 92가지밖에 없는데 주기율표 전체 동위원소 개수는 3천 개도 넘어요. 지금 전 세계로 동위원소 가속기가 많습니다. 동위원소는 그러니까 다시 이야기하면 동위원소 산소 동위원소는 기본 가장 많은 게 99% 정도 있는 거는 양성자 6개 중성자 6개 그런데 이게 동위원소가 양성자 6개 중성자 7개 양성자 8개 중성자 10개가 있어요. 그럼 이걸 18번을 적어요. 양성자 8개 중성자 8개 16번이 되잖아요. 그러면 16번하고 18번 질량은 10% 정도 차이 나잖아요.
이걸 갖고 바로 기후학에서 해양학에서 바다 온도를 지난 신생대 5천만 년 이상 바다 온도를 다 측정할 수 있어요. 동위원소 때문에 그다음에 지금 우라늄 동위원소를 해서 우라리움은 잘 보세요. 우라늄 92번이잖아요. 그럼 알파 입자 하나 내면 두 개 원소 줄어들잖아요. 90번 토륨이 되고 90번에서 또 알파 입자를 내면 방사선을 내면 바로 88번이 되죠. 그게 바로 라듐입니다. 88번에서 두 개를 내면 바로 라돈입니다. 라돈가스 들어보셨죠 지금 굉장히 유해물질입니다. 라돈가스가 우라늄에서 알파 입자 하나님은 양성자 두 개 빠져나가잖아요. 중성자 두 개 양성이 빠져나가잖아요. 그러면 우라늄이 토륨으로 갈 때 92에서 90번 토륨에서 알파 입자가 또 나가면 88번이 되죠. 이게 나디움입니다. 라둠에서 알파입자가 또 나가면 86번이 되죠. 이게 라돈입니다. 라돈에서 두 개 나가면 84번이 되죠. 84번이 폴로리움입니다. 폴로리움에서 두 개 빠져나오면 82번이 되죠. 그게 납입니다. 근데 납이 82번이 중성자 개수가 엄청 많습니다. 합치면 양성자 82개의 중성자 합치면 204번 206번이 됩니다. 이 전체를 이 전체 과정이 바로 알파 붕괴입니다. 이걸 방사선 붕괴라고 그럽니다. 이 과정을 통해서 지구 나이가 46억 년이라는 걸 알게 된 겁니다. 전부 다 동요소란 개념 때문에 알게 됩니다. 왜 우리가 이렇게 긴 100년 이상의 원자 개념이 만들어질 때까지를 구체적으로 다 설명을 하느냐 하면 이 구체적 단계를 알아야 원자라는 기적 같은 현상을 이해하게 됩니다.
더 중요한 것은 우주에는 원자라는 상태는 극히 드문 상태입니다. 지구나 사람이나 나무나 구름이나 다 원자가 모여서 된 거잖아요. 원자가 모였다는 것은 아교풀처럼 결합시켜줘야 돼요. 전자가 작동하는 겁니다. 전자가 모자라면 양이온 전자가 과잉이면 음이온이 되잖아요. 음이온 양이온은 전기적으로 당깁니다. 그래서 결정이 만들어집니다. 광물이 만들어집니다.
이 모든 과정을 알려면 원자핵과 전자로 된 이걸 다 분해를 해서 양성자 중성자 전자가 독립된 입자로서 존재하는 세계를 먼저 공부를 해야 됩니다. 그게 온도가 낮아져야 이게 결합을 합니다. 그래서 원자가 생깁니다. 그리고 별에는 원자가 존재하지 않습니다. 지구에도 거의 원자 상태로는 거의 존재하지 않습니다. 대기 중에도 분자 분자로 있죠. 질소분자 산소분자로 있죠. 원자상태로 있는 것은 극히 드뭅니다. 유일하게 원자상태로 있는 게 있습니다. 있는 게 뭐냐면 금이나 은이나 구리 같은 겁니다.
순수한 엘리먼트가 모여서 결정 구조로 만들었고 순수한 골드 구리 이런 거는 순수한 원소만 원자만 모여 갖고 된 결정 구조로 그것도 물론 전자끼리 연결해야 됩니다.
우라늄에서 뭐가 나왔고, 이걸 방사선이라 했어요. 일단 라도포드가 가나다 이런 식으로 이름을 붙인 거예요.
그럼 알파는 무거운 입자. 전기를 띤 입자가 양성자 양성자 두 개 중성자 2개 양성자는 프로토니아가 p로 쓰고 중성자는 뉴트론 해서 n으로 씁니다. 네 개의 입자가 단단하게 하나로 결합된 입자예요. 양성자 두 개 있다면 플러스 전기가 두 개 있으니까 자석을 걸면 휘어요. 질량이 크기 때문에 살짝 휘어요. 그런데 이 알파 입자가 왜 중요한가?
주기율표에 이렇게 보면 원소가 있는데, 원소의 6번이 6번이 카본이거든요. 카본이 이렇게 있고 그다음에 8번이 산소가 이렇게 있어요. 그다음에 10번에 네온이 있어요. 양입니다. 그다음에 12번에 칼슘이 있다는 거예요. 이게 카본 산소 네온 마그네슘 이렇게 되어 있는데, 이런 원소들이 굉장히 많아요.
예를 들면 5번 5번 붕소 그다음에 3번 리튬 이렇게 돼 있다. 자연에 있는 원자들이 어떤 식으로 얼마나 양이 많은가 봤더니, 6번 카본이 이렇게 많으면 7번은 적고 8번은 많고 10번은 많고 14번은 많고 짝수 번호로 이렇게 많아요. 그 특징이 뭐냐 하면 양성자가 두 개씩 더 많아진다는 거예요.
20번 밑에 있는 원소 중에 홀수 번호의 원소보다 짝수 번호의 원소가 100배 이상 더 많다. 왜 이렇게 많아졌는가? 우주론 하면서 알게 되는 게 카본에 알파 입자 들어가면 알파 입자 양성자 두 개 있잖아요. 그러니까 6번에서 8번으로 뛴다는 거예요. 그래서 왜 6번 8번 10번 12번 14번 16번 18번 이렇게 많아지는가? 홀수 번보다 짝수 번 원소가 굉장히 많아요. 그 이유가 뭐냐 하면 바로 알파 파티클이 들어가거나 나올 수 있다. 양성자 하나가 빠져나오는 경우는 거의 없어요. 알파 입자가 나와요. 그래서 어떤 광물이 어떤 원소가 알파 입자를 뱉어내는 걸 알파 붕괴라고 해요. 그걸 방사능이라고 해요.
베타는 순수한 전자의 총알. 전기를 띄었죠. 자석을 걸면 휘어지는 거죠.
감마선은 전기를 안 띄어요 그러니까 직선으로 가는 거예요. 빛처럼 반사되고 극단적으로 짧은 파장, 우주에 있는 모든 파장 파동 현상 중에 파장이 가장 짧은 파장이에요.
옛날에 지붕 위에 안테나. 화면이 잘 안 나올 때 지붕 위에 올라가 안테나 다시 조정하면 잘 나왔어요. 70년대 알루미늄 안테나가 1m 정도. KBS 방송은 파장이 대략 1.5m 정도. 전자기파의 한 예.
파장이 조금 더 줄어들면 마이크로 웨이브. 마이크로웨이브는 1mm 정도입니다. 전파의 천분의1 정도 파장을 가져요. 마이크로 오븐은 쌩쌩한 닭 넣어도 금방 굽혀 나오잖아요. 왜 그러냐면 우리가 먹는 음식물 통닭이나 고구마 감자 속에는 물이 있어서 물 분자가 마이크로 오븐에 나오는 전자기파의 공명현상을 일으켜서 그 모든 음식들은 물분자가 바이브레이션을 하는거에요. 물분자를 바이브레이션하게끔 해주는 파가 마이크로이브파입니다. 그럼 물분자의 바이브레이션 운동이 바로 열로 바뀌는 겁니다. 열은 분자의 운동량입니다. 총체적 분자의 운동량.
빛하고 열은 완전히 다른 현상입니다. 마이크로 오븐은 바로 닭 속에 있는 물 분자가 훌라춤을 추도록 전자기파가 그렇게 공명을 만들어주는 거예요. 그때 나오는 전자기파가 마이크로 웨이브라고 하고 파장이 미리미터입니다. 옛날 사람들이 그냥 적으니까 마이크로라고 불렀던 거예요.
우리가 군불 뗄 때 벌게 닿으면 따뜻한 느낌이 들잖아요. 바로 적외선.
적외선에서 파장이 조금 더 줄어들면 에너지가 높아져요 파장이 줄어들면 바로 빨주노초파남보 가시광선이 되는 거예요.
가시광선에서 파장이 좀 더 줄어들면 바로 자외선이 되는 거예요.
자외선에서 파장이 더 줄어들면 렌터캔이 발견한 X선이 되는 거예요. X선은 우리가 가슴 폐 찍을 때 하잖아요. 그다음에 바로 DNA 분자 구조를 찍죠 분자는 원자로 되어 있잖아요. 분자 구조로 찍는다는 말은 DNA가 수소 산소 질소 원자로 돼 있잖아요. 원자와 원자 사이의 거리를 재면 분자가 되잖아요. 원자와 원자 사이의 거리를 재려면 그것과 interaction 할 만한 그 정도의 에너지를 갖는 파장을 갖는 파가 들어가야 돼요.
더 파장이 적은 게 감마선입니다. 방사능에 나오는 알파 베타 감마의 이 감마가 우주에서 파장이 가장 짧은 전자기파라는 거예요. 그러니까 이게 굉장히 에너지가 세니까 총알처럼 뚫고 들어가는 거예요. 태양에서는 자외선이 9% 적외선이 40% 가시광선이 40%입니다. 블랙홀이면 X선이 나옵니다. 뉴트론스터하고 블랙홀 interaction 하면 감마레이 이런 게 나옵니다. 그래서 X선하고 감마선은 우주의 천문대가 올라가 있습니다. 찬드라인간공위성.
감마레이는 우주의 그런 블랙홀과 블랙솔이 합쳐질 때 나옴. 주로 X선 감마선은 블랙홀하고 뉴트론 스타 같은 아주 고밀적 어마어마한 에너지가 나오는 천체에서 나오는 것. 그래서 이 전체를 다 알아야 천문학을 할 수 있는 겁니다.
우라늄에서 방사선은 원자핵을 건드려야 나오는 겁니다. 바깥에 있는 전자를 건드리면, 물질 즉 분자가 만들어짐.
방사선은 원자핵 주위를 도는 전자에 관한 이야기가 아니고 원자핵을 건드렸을 때 불완전한 원자핵이 안정한 상태로 바뀌는 과정에서 방사선을 내뱉는 겁니다.
불안정한 원소가 방사선(알파 베타 감마)을 방출해요. 안정되기 위해. 그래서 가장 불안정한 원소가 우라늄 같은 거예요.
원자는 원자핵과 전자로 되어 있다고 했잖아요. 원자핵은 양성자와 중성자로 되어 있다고 했잖아요. 그래서 닐스보아가 만든 모델 원자핵이 양성자 중성자로 되어 있고 전자가 돌아간다.
베타를 뱉어내는게 베타붕괴
그럼 원자핵 속에 양성자와 중성자가 있잖아요. 여기서 가장 놀라운 사건은 양성자가 중성자로 되기도 하고 중성자가 양성자로 바뀌기도 한다는 거예요. 원소마다 중성자가 대부분 다 있잖아요. 수소를 빼고 다 원자핵에 중성자가 있잖아요. 수소를 빼고 91가지 원소에 그 원자핵에 있는 중성자가 양성자로 바뀌면 원자번호가 하나 높아지죠. 질소가 산소가 되고, 카본이 양성자가 6개인데 중성자 6개잖아요. 그러면 중성자 하나가 양성자로 바뀌면 양성자 7개 되는 원소가 되잖아요. 그러면 카본에서 질소가 돼버리는 거예요. 원소가 다른 원소로 바뀐다. 산소가 질소로 바뀌고 질소가 산소로 바뀌고 다 바뀔 수 있다는 거. 이렇게 바뀌는 과정을 핵변환이라고 하고 핵변환이 일어나려면 핵 속에 있는 양성자가 중성자로 바뀌고 중성자가 양성자로 바뀌는 이 현상이 일어난다는 거예요. 이렇게 바뀔 때 마이너스 전기를 또는 플러스 전기를 띈 전자가 나와요. 그래서 마이너스 전자가 나오면 마이너스 베타 붕괴 플러스 베타 붕괴.
브레인이 좀 잘못되면 대학병원에서 PET을 찍잖아요.그때 P는 포지트론 양전자란 말입니다. 질량 등 모든 특징이 전자하고 같은데, 전기부호만 바뀌었다. 마이너스 전자만 알고 있지만 플러스 전자도 있다. 반전자라고 함. 반물질의 구체적인 예입니다. 원자핵은 양성자와 중성자 사이가 변환이 일어난다는 거예요. 그 과정에 궁극적으로 하면 힉스 입자 쪽으로 가는 겁니다. 그걸 양력이라고 그래요.
+1p → 0n + +e (반전자) : 플러스 베타붕괴
P가 양성자라고 했잖아요. 양성자가 중성자로 되면 전자를 방출해야 돼요. 양성자는 전기가 플러스 1이잖아요. 중성자는 전기가 0이잖아요. 그럼 여기에 플러스 1이 와야 되죠.
0n → +1p + -e (전자) : 마이너스 베타붕괴
중성자가 전기가 제로잖아요. 전하가 제로잖아요. 근데 양성자가 전하가 플러스 1이잖아요. 제로가 되려면 마이너스로 와야 되죠. 1은 생략합니다.
보통 마이너스 전기를 띈 이 전자를 그냥 전자라고 하고, 플러스 전자는 질량은 다 같은데 전기 부호만 다름. 이걸 반전자라고 해요. 영어로 포지트론이라고 그래요. 포지트론 갖고 쓰는 장비가 pet라는 장비예요. 이때 p가 반전자란 말이에요.
그래서 양성자가 중성자로 바뀔 수 있고 중성자가 양성자로 바뀔 수 있다. 또 이건 전부 다 원자핵 속에 있는 거잖아요. 양성자가 원자핵 속에 있을 때는 바뀌긴 하는데 그대로 있어요. 그러니까 카본 같으면 중성자가 6개 양성자 6개 이게 고정되어 있어요. 그래서 방사성 붕괴는 전적으로 원자핵 속에 일어나는 일이에요. 원자핵 속에 일어나는 그 영역의 사이즈가 적으면 적을수록 에너지가 높아요.
에너지가 높으면 온도가 올라가요 그래서 원자핵 속에 있는 것은 온도가 올라가 10만 일렉트론 볼트. 보통 1 일렉트론 볼트가 1만 1600도. 10만 일렉트론 볼트는 1억도가 넘어요.
우리가 자외선을 쬐면 자외선이 대략 1일렉트론 볼트. 가시광선이 1일렉트론 볼트였거든요. 바깥에 햇볕을 쬐면 왜 안 좋으냐 하면 만 도 되는 인두로 지지는 거하고 똑같습니다. 온도를 바꾸면 만도로 가요 그런데 원자핵은 거의 한 천 배 이상 더 온도가 높아요. 원자핵 속에서는 100만 배 정도 온도가 높아져요. 그게 원자핵 사이즈가 적어서 그런 거예요.
마무리하면 원자핵이라는 개념을 정확하게 알아야 바로 알파 베타 감마 붕괴를 이해하게 되고 그 다음에 중성자와 양성자가 바뀌는 과정을 이해해야 주기율표의 원소들이 만들어지는 과정을 다 이해하게 된다는 거예요.
주기율표의 다른 이름이 베타 붕괴입니다. 태양이 불타는 것도 베타 붕괴. 우주를 이야기할 때는 거의 90%가 베타 붕괴입니다. 그런데 베타 붕괴를 이해하려면 지금 긴 시간에 이야기했던 원자핵이란 개념이 어떻게 만들어졌는가를 철저히 이해를 해야 돼요.
그럼 베타 붕괴를 알게 되면 방사선 붕괴도 대부분 다 이해하게 되고 우리가 원자를 이해하게 되는 거죠.
# 방사능 # 라듐 # 우라늄by willychoi
