무한 동력과 관련된 글 시리즈-10

작성자금충|작성시간02.11.02|조회수46 목록 댓글 0

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<title>물질의 궁극원자 아누</title>
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<table border="0" cellpadding="10" width="780" align="center">
<tr>
<td width="780">

 
소립자의
홍수
</td>
</tr>
<tr>
<td width="780">
   
  원자가
쪼개지고 내부구조를 가진다는 것은 데모크리토스가 '원자'라는 단어를
사용했을 때 의도했고 돌턴이 그대로 이어받은 원래의 취지가 더 이상
제대로 적용될 수 없다는 걸 의미한다.
  원자가
내부구조를 가지고 있다는 실제적인 증거는 19세기 말에 톰슨이 음극선관
실험을 통해 전자를 발견한 것이 그 최초라고 할 수 있다.  전자는
모든 물질에서 방출되고 있었기 때문에 원자를 구성하고 있는 보편 성분이라고
판단할 수 있었다.  그러나 원자 내부에 전자가 어떻게 분포되어
있는지는 알 수가 없었으므로, 마치 건포도가 박힌 푸딩처럼 마이너스
전하를 가진 전자들이 공 모양의 원자 내부에 여기저기 박혀 있는 모습으로
생각하는 것이 당시의 일반적인 견해였다.
 
<img src="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0201.jpg" width="192" height="192" border="0">
 
<그림
2.1>  톰슨의 원자모형
 
  현미경이
아무리 배율이 높아도 원자를 직접 볼 수는 없다.  따라서 원자의
내부구조를 알려면 간접적인 탐사방법을 써야 한다.  러더퍼드는
방사성 원소인 라듐에서 나오는 알파입자(선)를 사용하여 얇은 금박에
부딪혀 보는 방법으로 원자의 내부 구조를 탐사하였다.  그 결과
대부분의 알파입자는 진로가 거의 휘어지지 않은 채로 금박의 원자들을
통과하였으나, 극히 일부의 알파입자가 크게 산란되거나 반대방향으로
되튕기는 놀라운 현상을 발견하였다.  러더퍼드는 이 실험 결과를
매우 작고 단단한 물체가 원자의 중심부에 있기 때문이라고 해석하였다.
 이 물체는 전자와 반대로 양의 전하를 가지고 있을 것이고, 크기는
원자 지름의 약 만 분의 일에 불과하지만 원자 전체 질량의 약 99.98%나
차지하는 것으로 추론되었다.  오늘날 우리가 '원자핵'으로 알고
있는 것이 이때야 비로소 발견된 것이다.
 
<img src="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0202.jpg" width="237" height="216" border="0">
 
<그림
2.2>  러더퍼드의 원자모형
 
  1911년에
원자의 핵 모형을 제시한 러더퍼드는, 방사선을 이용한 원자 내부 탐사를
계속하여 1919년에는 양성자를 발견하였다.  양성자는 원자핵을
구성하는 핵자의 하나이다.  양성자가 수소원자와 거의 질량이
같은 것으로 보아, 수소원자는 하나의 양성자와 하나의 전자로 이루어졌다고
추측하는 것이 가능했다.  1932년에는 채드윅이 또 다른 핵자인
중성자를 발견하였다.
  이렇게
전자와 양성자, 중성자의 발견으로 현재와 같은 원자 모형의 기본 틀이
완성되었다.  즉, 원자는 양성자와 중성자가 한데 어우러져 있는
원자핵과, 이 원자핵의 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다는 것이다.
  나중에
닐스 보어(1885∼1962)는 전자가 원자핵 주위를 아무렇게나 돌고 있는
것이 아니라, 전자각(電子殼)이라 불리는, 불연속적이면서 일정한 에너지
준위에 따른 궤도를 형성한다는 추론을 제시하였다.  보어가 말하는
전자각은 마치 양파껍질처럼 원자핵을 겹겹이 에워싸고 있는데, 원자핵에
가까운 전자각일수록 에너지 준위가 낮다.  각 에너지 준위마다
들어갈 수 있는 전자의 수는 제한되어 있어서, 안쪽의 전자각이 모두
채워지면 그 다음 전자는 바깥쪽 전자각에 위치하게 된다.
 
<img src="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0203.jpg">
 
<그림
2.3>  보어의 원자모형
 
  예로부터
물리학자들의 궁극적인 목표 중의 하나가 물질의 궁극 입자, 또는 물질의
궁극 요소를 발견하는 것임을 염두에 둔다면 원자모형의 발견이 물리학사상
어떤 의미를 지녔을까는 상상하기 어렵지 않다.  물질의 궁극 입자가
하나가 아니라 세 종류라는 사실이 약간의 여운을 남기고는 있지만 크게
문제되지는 않았다.  몇 십 종류의 원자들 모두를 기본 원소로
여기던 때도 있었던 만큼 궁극 입자가 꼭 한 가지 종류여야 할 당위성은
없었으며, 보기에 따라서는 셋이라는 숫자가 오히려 적당하게 여겨질
수도 있었다.
  그러나
물질의 궁극에 도달했다는 기쁨도 잠시, 중성미자와 뮤온, 중간자 같은
새로운 입자들이 제안되거나 발견되었다.  람다입자(Λ)와 케이입자(K)도
추가로 발견되었다.  이들은 양성자와 중성자, 그리고 전자와 함께
모두 '소립자(素粒子)'라는 이름으로 총칭되었다.  소립자란 기본이
되는 입자라는 뜻이다.
  한편,
1930년대부터 만들어지기 시작한 입자가속기는 입자물리학에 획기적인
발전을 가져왔다.  수없이 많은 새로운 입자의 발견을 가능하게
한 것이다.
  입자가속기란
양성자와 같은 하전입자를 가속하여 높은 에너지에 이르게 한 뒤, 원자핵이나
다른 입자들과 충돌시켜 그 결과물을 검출하는 장치인데, 그 결과를
분석하여 새로운 입자의 존재를 확인할 수 있다.  초기의 입자가속기는
크기가 아주 작았지만, 20세기 후반에는 엄청나게 덩치가 커져 유럽
세른(CERN)의 양성자 싱크로트론의 경우 그 둘레가 7㎞나 된다.  규모가
크다는 것은 그만큼 가해지는 에너지가 높다는 것이고, 에너지가 높으면
생성되는 입자도 그만큼 다양해진다.
  곧
새로운 입자의 발견이 홍수를 이루었고, 소립자의 수도 급격하게 늘어나서
무려 200개를 넘어서게 되었다.  당연히 양성자, 중성자, 전자의
원자모델에 만족하고 있던 물리학자들은 아연실색하지 않을 수 없었다.
 도대체 자연은 왜 이렇게 많은 종류의 소립자를 필요로 하는 것일까?
 이 많은 소립자들을 모두 다 기본 입자라고 할 수 있을까?  혹시
소립자들도 원자와 마찬가지로 하부구조를 갖는 것은 아닐까?
  물리학자들이
하는 중요한 일 하나는 자연을 될 수 있는 한 단순화시켜서 설명하는
것이다.  일견 무질서해보이는 자연의 여러 현상들을 하나의 단순한
법칙이나 방정식으로 표현해낼 때, 그 감동은 희열을 넘어 아름답기까지
하다.  멘델레프의 주기율표가 그런 찬사를 받을 만했고, 러더퍼드나
보어의 원자모델도 그리 나쁘지는 않았다.  그런데 이제 입자물리학계에
또다시 혼돈의 바람이 불어닥치고 있는 것이다.  누가 이 위기를
구할 것인가?

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발명 아하~! 이런것도~!

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