핵이란?

 

 

원소설

 

물질을 구성하는 기본적인 기본요소가 있다.

물질이 무엇으로 이루어 졌는가에 대한 의문은 그리스 시대 이후 과학자나 철학자의 주된 관심사였다. 다양한 모양으로 나타나는 우리 주위의 물질들이 실은 적은 개수의 기본적인 재료로 되어 있을 것이라는 가정으로 물질을 이해하려고 하는 가설을 원소설이라 한다. 16세기 이후 산소, 수소 등 오늘날 우리가 알고 있는 원자들이 속속 발견되었는데 다양한 물질들은 이들이 서로 다르게 결합하여 분자를 다양하게 형성한 것이라는 것을 알게 되었다. 이에 따라 이들 원자가 바로 자연을 구성하는 기본요소, 즉 원소로 믿게 되었다.

그러나 19세기에 이르러서 이들 원자가 80여 개나  발견된데다가 이들이 어떤 정해진 규칙성을 가진 것을 알게 되어 이들이 과연 기본요소로서의 자격이 있는지가 의심스러워 지게 되었다. 고대 그리스 시대에는 물, 불 등 불과 네 개의 요소로 이루어 졌을 것이라는 생각에서 출발한 원소설에서는 그러나 그렇게 많은 원소가 있는 것을 쉽게 받아들일 수가 없었다. 또한 19세기 말에 원자 속에서 전자가 방출된다는 것이 관측되었고 이의 질량, 전하등이 톰슨에 의해 규명되었다. 어 기본요소가 이닌 것이 명백해졌고, 기본요소라고 생각하여 원자(atom)이라고 이름 붙였던 것이 무의미하게 되어 버렸다.

그러면 전자를 머금고 있는 이 원자는 어떤 구조를 하고 있을까? 이에 대한 몇가지 제안이 1903년부터 톰슨(Thomson) 등으로부터 있어왔지만 1910년경 라더포드(Rutherford)가 원자를 알파입자의 탐침으로 어루만져본 결과로 생각한 원자모형이 가장 그럴 듯 하였다.

 

 

톰슨의 원자모형

 

원자속에 전자가 있다!

19세기 중반 관속에 기체를 뽑아낸 저압의 상태에서 양단에 고압을 걸어주면 두 극 사이에 어떤 흐름이 생겨나고, 이것이 형광물질을 빛나게 한다는 것을 발견하였다. 이 흐름을 면밀히 조사한 결과 그 실체는 음의 전하를 띄고 있는 입자라는 것을 알았다. - 의 전하를 띄고 있어 이것을 음극선이라 명명하였는데 이후 톰슨(J. J. Thomson)은 이 입자의 전하량이나 질량을 밝혀 내었고, 또한 이것은 모든 원자가 보편적으로 가지고 있다는 것을 알게 되었다.

전자의 질량 : 9.109 x 10-31 kg  (~ 수소원자의 1/1837)

전자의 전하량 : -1.602 x 10-19 C

 

 

톰슨의 원자모형

톰손은 그때까지 기본적인 원소로 생각했던 원자속에 아주 가볍고 - 의 전하를 가진 전자가 방출되는 실험 결과를 가지고 아래 그림같은 원자를 상상하였다. + 전하가 넓게 퍼져 있는 속에 전자가 마치 건포도빵(plum pudding cake)의 건포도처럼 박혀 있는 것으로 원자를 이해하였다.

 

 

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라더포드는 금 박편에 알파입자를 쏘아서 산란되는 방식을 실험하였다. 왼쪽 그림에서 톰슨의 모형에 의한 알파입자, 즉 헬륨의 원자핵을 보이고 있다.

 

 

톰슨(J. J. Thomson)은 전자를 발견하고 전자가 원자내에 존재하는 원자모형을 주창하였다.

 

 

 

라더포드의 실험

 

전하가 +2가이고, 질량이 전자에 비하여 7500배 정도 무거운 알파입자를 충돌시켰을 때 이 알파입자의 일부분은 아주 심하게 산란되는 것이 라더포드에 의해 관측되어 톰슨의 원자모형은 틀린 것이 판명되었다. 톰슨의 모형에 의하면 모든 알파입자는 1° 도 안되는 아주 적은 값으로 산란되어야 하였다!

라더포드가 실험에서 사용한 알파입자는 방사선 동위원소에서 나오는 질량이 무거운 입자의 방사선이며 그때까지 그 구성요소는 밝혀지지 않았지만 질량과 전하량은 알고 있었기에 이와같이 무거운 알파입자가 큰 값으로 산란할 수 있을 것이라고는 생각하지 못했다.

알파입자의 질량 : 수소원자의 약 4배

알파입자의 전하 : 기본전하량(1.602 x 10-19 C)의 2배 (+2가)

알파입자의 실체 : 헬륨의 원자핵

 

 

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톰슨의 모형에 의한 산란. 톰슨 모형에 의하면 알파입자를 반발시키는 +전하가 넓게 퍼져있는데다가 전자는 질량이 훨씬 가벼우므로 그림처럼 알파입자의 진로는 거의 꺽이지 않을 것으로 생각하였으나 실제로 매우 큰 각으로 산란되는 알파입자가 관측되었다.

 

 

 

 

 

핵물리학의 아버지라 불 리는 Ernest Rutherford는 노벨 화학상을 받은 다음해인 1909년 위의 실험을 행하여 원자의 구체적인 묘상을 알아낼 수 있었다.

 

 

 

라더포드의 원자모형

 

이 라더포드의 원자모형은 + 전하를 띈 중앙에 밀집된 핵 주위로 전자가 궤도운동을 한다는 것이었다. 이 모형은 마치 태양주위를 지구와 같은 행성들이 돌고 있는 태양계를 그대로 닮아 있어 아주 신비로운 느낌을 당시의 사람들에게 심어주었다. 아주 작은 원자의 세계가 아주 큰 우주를 닮았다!

라더포드는 자신의 실험의 결과, 즉 알파입자가 뒷 쪽으로 산란되는 것이 있다는 사실로부터 원자의 +전하부분이 중심에 밀집 된 것을 알았다. 이를 핵이라 한다. 이 핵의 범위도 실험으로 추측할 수 있었는데, 원자는 핵의 크기를 당구공 정도로 볼 때 원자의 규모는 지구정도로 비교할 수 있다. 아래 그림에서의 핵 내부의 구조는 그 이후에 중성자가 발견됨으로서 알려지게 되었다.

 

 

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라더포드는 자신의 실험의 결과, 즉 알파입자가 뒷쪽으로 산란되는 것이 있다는 사실로 부터 원자의 +전하부분이 중심에 밀집 된 것을 알았다. 이를 핵이라 한다. 이 핵의 범위도 실험으로 추측할 수 있었는데, 원자는 핵의 크기를 당구공 정도로 볼때 원자의 규모는 지구정도로 비교할 수 있다. 그림에서의 핵 내부의 구조는 그 이후에 중성자가 발견 됨으로서 알려지게 되었다.

 

 

 

 

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실제로는 많은 알파입자중 일부분은 거의 뒷쪽으로 산란되어 나온다. 톰손모형이라면 마치 "종이에 대고 권총을 쌌는데 총알이 되튀어 나오는 상황"과 비슷하다. 이에 따라 톰손의 모형을 대신할 새로운 모형이 요구되었다.

 

 

 

 

 

중성자의 발견

 

W.Bethe, H.Becker (1930)
Irene Curie, F. Joliot, Chadwick (1932)

 

 

 

 

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방사성 동위원소 폴로늄(Po)에서 나오는 알파입자를 베릴륨(Be)에 쏘이니 납(pB)를 통과시키는 미지의 입자(혹은 파동)가 방출 되었다.

 

 

 

 

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베릴륨(Be)에서 나오는 미지의 입자(혹은 파동)를 파라핀에 통과시키니 5.7MeV의 양성자가 나오는 것이었다.

 

 

 

 

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만일 감마선이었다면 5.7MeV의 양성자가 나오기 위해서는 약 55MeV의 에너지를 가진 것이 필요로 한다. 따라서 미지의 입자는 중성이면서 거의 양성자와 질량이 같은 입자라고 채드윅은 예상하였다. 이것이 바로 중성자(neutron)이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

← 퀴리 부인(Marie Curie)의 딸인 Irene Curie와 남편 F. Joliot은 최초의 인공방사능 핵종을 만들어 이 공로로 1934년 노멜 화학상을 받았다.

라더포드 밑에서 일한 James Chadwick은 1932년 중성자를 발견하였고 이 공로로 1935년 노벨 물리학상을 받았다. →

 

기본 물질의 구성체계(Building Block)

 

원자는 핵과 전자로 되어 있고
핵은 중성자와 양성자로 되어 있고
중성자와 양성자는 쿼크로 되어 있고

쿼크는 ???

 

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핵의 구성

 

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핵속에는 양성자와 중성자가 있다. 이 둘의 질량은 비슷하고 양성자는 +의 전하를 가지고 있고, 중성자는 중성이다. 둘을 합하여 핵자라고 한다.

 

 

 

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핵을 구성하는 핵자(양성자+중성자)의 수를 N이라 하고, 양성자의 수를 A라고 할때 표기는 오른편처럼 그것이 만들게 되는 원소기호를 써서 표기한다.

 

 

 

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핵의 몇가지 예

 

 

 

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핵의 규모

 

핵력의 성질

 

핵력은 양성자와 중성자를 분간하지 않고 인력으로 작용한다.
핵력은 가까운 거리까지만 작용하고 멀어지면 급격하게 힘의 크기가 약해진다.
핵력은 다른 상호작용에 비하여 제일 강하므로 "강한상호작용"이라고도 한다.
핵력을 매개하는 "중간자"의 존재가 필요하다.
핵력에 의해 양성자들과 중성자들이 핵을 형성하게 된다.