핵의 구조

미지의 방사선

러더퍼드의 실험에서 +전하를 가지고 있는 핵은 원자의 규모에 비하여 점이라고 불러도 좋을 정도의 작은 크기를 차지하고 있다는 것을 알게 되었다. 그렇다면 여러 종류의 원자 속에 들어있는 각각의 핵은 별도의 내부구조가 없는 것일까?

다양한 종류의 원자가 있지만 각각의 성질은 이것이 가지고 있는 전자의 수에 따라 결정되어 원자번호가 매겨지게 되었다. 따라서 이 전자가 빠진 원자핵의 + 전하도 전자전하량의 정수 배의 전하를 가질 수 밖에 없었다. 그뿐만 아니라 원자의 질량이 비교적 같은 간격으로 커져가는 것 등을 생각해 보면 핵의 내부도 역시 최소한의 기본 입자들의 조합으로 만들어져 있을 것이라는 생각을 할 수 있다.

photo

이레네 퀴리와 졸리오_ 퀴리 부인(Marie Curie)의 딸인 Irene Curie와 남편 F. Joliot은 최초의 인공방사능 핵종을 만들어 이 공로로 1935년 노벨 화학상을 받았다.

그러나 러더퍼드가 알파입자를 써서 물질의 구조를 더듬어 본 1910년부터 원자핵의 구조를 완전하게 파악하기까지는 20년의 시간이 흐르게 되었다. 이는 당시의 물리학의 발전속도에 비하면 더딘 속도이라 할 수 있는 데 그 사이에 보어의 원자 모형, 드브로이물질파, 하이젠베르그의 불확정성원리, 슈뢰딩거, 하이젠베르그의 양자역학 등 물리학의 근간을 흔들게 되는 혁명적인 발전이 있었다. 아울러 원자의 내부를 탐험할 수 있는 실험기술도 발달하여 이제 핵은 그 비밀을 거의 완전히 풀어놓지 않으면 안 될 시점이 되었다.

그 전에 핵 속에서 전자가 튀어나오는 베타붕괴가 알려졌었고, 핵의 구성물질로 양성자가 있다는 것은 명확해진 상태였다. 즉 양성자(proton)는 $+e$의 전하를 가진 물질로 그 이전에 이미 관찰되었지만 단일입자로 규명된 것은 1917년 러더퍼드에 의해서이다. 러더퍼드는 수소의 핵이 이 양성자 하나로 되어 있다는 것을 밝혔고, 자연스럽게 다른 핵도 양성자가 모여서 이루어진 것으로 이해되었다. 핵과 양성자의 각각의 질량과 전하를 고려할 때 원자의 외각을 돌고 있는 궤도 전자의 수를 초과하는 양성자와 이 초과 수 만큼의 전자가 핵속에 있을 것으로 생각했다. 예를 들어 헬륨은 질량이 양성자의 약 네 배이므로 네 개의 양성자가 핵을 구성하고 있고, 궤도를 돌고 있는 두 전자의 $-2e$의 전하를 상쇄될 수 있도록 2개의 전자가 핵 속에 있을 것으로 생각했다.

이것으로 핵이 규명되는 것처럼 보였으나 1927년 불확정성원리가 나온 후, 이 원리에 의하면 핵에서 방출되는 전자가 애초에 핵속에 있을 수 없었다는 것이 알려지면서 핵에 대한 지금까지의 이해가 잘못 되었다는 것이 확실해졌다. 그러나 더 이상 핵의 연구에서 진척이 없는 채로 몇 년의 세월이 흘렀다.

이러한 시점에 이레네 퀴리(Irene Curie)를 비롯한 몇몇 물리학자들은 각각 1930년과 1932년에 방사성동위원소 폴로늄(Po)에서 나오는 알파 입자를 여러 물질에 쏘여서 이때 물질에서 나오는 2차 방사선을 조사하고 있었다. 아래 그림처럼 이 알파 입자를 베릴륨(Be)에 쏘이니 이로부터 납(Pb)를 통과시키는 정도로 투과성이 좋은 방사선이 방출되는 것이었다. 투과성이 좋아서 우선 당시까지의 알려진 방사선인 감마선이 아닌가 하고 생각하였다.

한편 아래 그림에서 보듯이 이 방사선을 파라핀에 통과시키니 5.7MeV의 양성자가 나오는 것이었다.

이 방사선이 만일 감마선이었다면 5.7 MeV의 양성자가 나오기 위해서는 약 55 MeV의 에너지를 가진 것이 필요로 하다는 것을 알았는 데 그만한 에너지를 가진 감마선이 알파입자를 맞은 베릴륨에서 나온다는 것이 불가능하다.

중성자 - 중성이면서 양성자와 거의 같은 질량을 가진다.

베릴륨에서 나오는 미지의 방사선이 만일 통상적인 입자이면서 거의 양성자와 질량이 비슷하다면 파라핀에서 양성자를 방출시키기기 위해 단지 5.7 MeV의 에너지만 가지고 있으면 된다! 예를 들어 한 당구공이 정지한 다른 당구공에 정면충돌하면 모든 운동에너지를 정지하고있던 당구공으로 넘겨준다는 것으로이 상황을 이해할 수 있다.

photo

채드윅(J. Chadwick: 1891-1974)_채드윅은 영국에서 태어난 핵물리학자로 러더퍼드 밑에서 일하였다. 1932년 중성자를 발견하여 이 공로로 1935년 노벨물리학상을 받았다.

이런 생각을 한 사람은 채드윅(J. Chadwick)이었는 데 그는 더 정밀한 약간의 계산을 거친 후, 이 미지의 입자가 중성이면서 거의 양성자와 질량이 같은 새로운 입자일 것이라고 예상하였다. 이것이 바로 중성자(neutron)이다.

그 이전에도 수 많은 방사성 동위원소의 발견, 방사선을 이용한 진단 등 핵물리 분야에서는 많은 발전이 있었지만 핵 속에 존재하는 중성자라는 새로운 입자를 발견하게 되어 핵물리학이나 소립자 물리학에서 일대 새로운 전기를 마련하게 되었다. 또한 이 중성자의 발견에 뒤이어 중간자, 중성미자, 반입자 등등 속속 새로운 종류의 소립자가 발견되었으며, 또한 양성자와 중성자가 핵속에 속박되어 있는 것을 설명하는 새로운 힘, 즉 강한상호작용이 발견되었다.

중성자의 스핀은 $\frac{1}{2}$ 로서 전체적으로 전하가 중성이지만 자기쌍극자모멘트는 가지고 있다. 이로써 내부적으로는 전하가 적절하게 분포되어 있는 것으로 이해할 수 있다. 이는 전자나 양성자와 같이 페르미온의 일종으로 페르미-디랙 통계법칙을 따라서 하나의 양자상태에 $\uparrow$과 $\downarrow$의 둘 까지만 채워질 수 있다. $n~\rightarrow~ p~+~e~+~\bar{\nu}~$처럼 핵반응식에서 중성자는 $n$, 양성자는 $p~$으로 나타낸다. 중성자는 핵반응식에서 $n$의 기호로 나타낸다. 훨씬 후, 양성자나 중성자 모두 내부에 세 개의 쿼크(quark)를 가진 복합입자인 것으로 밝혀져서 기본입자의 지위를 잃게 되었다.

[질문1] 위 '감마선으로 양성자 방출' 그림처럼 감마선에 의한 콤프턴 효과로 핵 속의 양성자가 방출되는 것으로 이해할 때 양성자의 에너지가 5.7 MeV까지 되기 위해서는 적어도 55 MeV가 되어야 하는 것을 보여라. (광자가 정면으로 충돌해서 되튀어 나오는 상황($\theta=180^{\circ}$)에서 정지한 양성자가 얻는 에너지를 계산한다. '콤프턴 효과' 절에서의 이론을 참고할 수 있다)

[질문2] 베릴륨에서 나오는 중성자를 납에 쏘였을 때 거의 그대로 통과하는 이유는 무엇일까? 참고로 납의 원자핵은 수소의 원자핵보다 200배 이상 무겁다.

_ 페르미-디랙 통계_ 자기쌍극자모멘트_ 방사성 동위원소_ 하이젠베르그_ 불확정성원리_ 콤프턴 효과_ 원자 모형_ 페르미온_ 양자역학_ 슈뢰딩거_ 러더퍼드_ 드브로이_ 베타붕괴_ 중성미자_ 핵반응_ 반입자_ 방사선_ 감마선_ 물질파_ 보어_ 전하_ 스핀