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핵구조와 입자물리

원자핵은 원자의 약 1/10,000 크기의 반지름을 갖고 있다.

즉 10^－15m 정도이다. 핵의 결합에너지는 외각 전자의 결합에너지보다 100만배 정도 크다. 핵의 질량은 그것을 구성하는 핵자들의 질량의 합보다 작다. 이 사실은 아인슈타인의 유명한 에너지 등가 법칙(E=mc²)에 대한 최초의 직접적인 실험적 뒷받침이었다. 핵에 양자역학을 처음으로 주요하게 응용했던 것은 알파 입자를 방출하는 원소의 방사선 붕괴에 대한 해석이었다.

이러한 해석은 1928년 독일에서 조지 가모브와 미국에서 R.W. 거니와 에드워드 콘던에 의해 독립적으로 이루어졌다. 예를 들어 우라늄 -238(²³⁸U)의 붕괴에서 4.25MeV(메가 전자 볼트)의 알파 입자가 방출된다. 이 입자의 반감기는 4.5×10⁹년이다. 그것은 핵의 지름 정도에서나 작용하는 강력에 의해 10⁹년 동안 핵 속에 있게 된다. 알파 입자와 ²³⁸U의 딸핵자인 토륨-234(²³⁴Th)의 위치에너지 장벽은 입자의 에너지보다 훨씬 높다. 양자역학적으로 그러한 장벽을 통과할 확률이 약간 있는데, 실제 계산 결과 알파 붕괴를 정량적으로 이해할 수 있었다.

이것은 당시의 파동함수의 확률적 해석에 대한 신뢰를 강화하는 데 도움을 주었다. 1932년 핵물리학에서 획기적인 일련의 발견들이 있었다. 이 발견이란 ① 중성자의 발견, ② 중수소의 발견, ③ 양전자의 발견, ④ 가속 양성자에 의한 인공핵변환을 말한다.

1935년 일본의 물리학자 유카와 히데키는 양성자와 중성자 등 핵자가 강한 상호작용이라는 새로운 종류의 상호작용으로 서로 결합한다는 것을 보였다. 이 작용은 짧은 거리에서만 적용되며, 핵자 사이가 핵의 지름 이상의 거리에서는 힘이 빨리 0으로 떨어져버린다.

지난 30년간 핵물리의 중요문제는 강한 상호작용의 모든 것을 정량적으로 결정하는 실험과 이론을 만들어 양자역학을 관찰된 모든 핵모형에 응용하는 것이었다. 핵자는 전자와 같이 스핀을 갖고 있다. 핵모형의 발전은 강한 상호작용의 성격을 모르기 때문에 전자이론보다 훨씬 어려웠다. 특별히 중요한 것은 1937년 발견된 강한 상호작용의 전하 무관성이었다. 이것은 양성자나 중성자 사이의 강한 상호작용은 거의 같다는 것이었다.

이 사실은 핵의 구조 계산을 매우 쉽게 했을 뿐만 아니라 양성자나 중성자가 핵자라는 어떤 기본입자의 다른 두 양자상태라는 견해를 강화해주었다. 핵이 양성자상태인지 중성자상태인지를 말해주는 하전 스핀의 개념을 도입하게 되었다. 서로 다르게 보이는 입자들이 어떤 입자의 상이한 양자상태에 대응하는 것이라는 생각은 지난 20년 동안 입자물리학에서 매우 중요한 역할을 했다.

이 견해는 1934년 페르미에 의해 베타 붕괴이론에 성공적으로 응용되었다. 베타 붕괴란 중성자가 전자를 방출하고 양성자상태로 되는 것을 말한다. 반대로 핵 속의 양성자는 양전자를 방출하고 중성자상태로 되기도 한다. 이 과정에서 언제나 전하량은 보존된다.

N을 중성자, P를 양성자라 하면, 이 변화는 N→P＋e(전자방출), P→N＋e^＋(양전자 방출)로 표시할 수 있다.

변화된 핵자는 복합적 핵의 일부분이기 때문에 이 변환에 관계된 에너지 변화는 전체 핵의 변화와 같다.

이것이 사실이라면 방출된 전자나 양전자는 원래 핵과 변환된 핵의 질량차에 해당되는 일정한 운동에너지를 가져야 한다. 그러나 오랫동안의 자연 베타 붕괴 연구 결과 방출된 전자는 광범위한 연속적인 운동에너지 분포를 갖고 있는 것으로 알려졌다. 이것은 언뜻 보면 에너지 보존법칙의 위배로 보인다. 그러나 이 문제는 1933년 파울리에 의해 해결되었다. 그는 실험에서 관찰되지 않은 새로운 입자가 방출된다고 제안했다.

이 입자는 페르미에 의해 중성미자로 불린다. 이 입자는 중성이며 정지질량이 없고 어떤 작용도 하지 않고 고체 속에서 먼거리를 갈 수 있다. 1934년 페르미는 이 중성미자 아이디어를 이용해 베타 붕괴에 대한 양자역학적 이론을 개발했다. 이 이론은 양자변환에서 새 입자의 생성과 소멸 과정을 취급하기 위한 새로운 수학적 방법을 사용했다.

이것은 약한 상호작용이라 불리는 진행과정을 위한 수학적 양식의 발견을 야기시켰다. 베타 붕괴에 대한 모든 연구는 페르미 이론의 확장에 기초를 두고 있다. 중성미자 가정은 많은 실험적 방법으로 확증되고 있다(붕괴되는 핵의 되튐 측정, 중성미자가 갖고 있는 운동량의 측정과 중성미자 자체의 직접적 발견 등). 이런 아이디어들의 발전은 약한 상호작용의 성격에 관한 여러 연구분야를 열었다.

그외의 응용

현대물리학에 양자역학이 중요한 역할을 하는 분야가 많으나, 여기서 모두 다룰 수는 없다.

분자구조에의 응용을 넘어서는 것으로 고체상태의 물질에 관한 이론이 있다. 이것은 무엇보다도 결정구조를 결정하는 힘, 결정 안에서 상당한 거리를 운동할 수 있는 전자의 성질, 자기적 성질을 결정하는 물리적 요소에 관한 것이다. 또한 초전도현상을 나타내는 금속 전자의 특별한 상호작용에 대한 양자역학적 취급도 중요하다. 양자역학은 또한 전자와 원자의 충돌 과정의 연구에 폭넓게 사용된다. 즉 원자와 충돌된 전자가 원자를 들뜬 상태로 올리거나, 1개나 여러 개의 전자를 자유롭게 하는(이온화) 구조를 상세하게 밝히는 일이다.

원자와 원자, 분자와 분자의 충돌에서 원자와 분자가 분리되고 다시 결합되는 방법과 화학반응이 일어나는 빈도를 결정하는 기본과정을 연구하기 위해 양자역학이 사용된다. 양자역학적 충돌 이론은 핵이 변환되는 핵반응에 중요한 역할을 한다. 이것은 또한 전자와 양전자쌍의 생성·소멸, 중간자의 생성에 관계되는 많은 비슷한 과정에 쓰인다.

다른 중대한 발전은 양자전기역학(QED)의 발전이다. 처음에 전자기장은 영국의 물리학자·화학자인 제임스 클럭 맥스웰의 고전적 방법으로 취급할 수 있다고 가정했다. 그러나 곧 1926년 디랙에 의해 최초로 전자기장의 방정식은 양자현상을 뚜렷이 설명하도록 재구성되어야 하는 것으로 판명되었다. 이것은 보통 방법으로 설명될 수 없는 에너지준위에 대한 중요한 보정을 가져왔고, 이 값은 실험에 의해 확인되었다(램­러더퍼드 전이).

QED의 가장 중요한 실제적 결과 중에는 레이저의 발전이 있다.

레이저에서 종전의 빛보다 수백만 배 강한 빛이 발생된다. 이것은 1917년 아인슈타인에 의해 처음으로 발견된 성질의 결과인데 응집된 광속(light beam)에 놓인 원자는 자발적 방출 때보다 더 큰 비율로 방출하도록 자극된다는 것이다. 그러한 강한 광속의 생성은 물질의 새로운 광학적 성질 연구의 여러 분야를 열어주었다.