무한 동력과 관련된 글 시리즈-10

<html> <head> <title>물질의 궁극원자 아누</title> <meta name="generator" content="Namo WebEditor v5.0"> <style></style> </head> <body bgcolor="white" text="black" link="blue" vlink="purple" alink="red" leftmargin="0" marginwidth="0" topmargin="0" marginheight="0"> <table border="0" cellpadding="10" width="780" align="center"> <tr> <td width="780"> &nbsp; 소립자의 홍수 </td> </tr> <tr> <td width="780"> &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;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. &nbsp;&nbsp;원자가 내부구조를 가지고 있다는 실제적인 증거는 19세기 말에 톰슨이 음극선관 실험을 통해 전자를 발견한 것이 그 최초라고 할 수 있다. &nbsp;전자는 모든 물질에서 방출되고 있었기 때문에 원자를 구성하고 있는 보편 성분이라고 판단할 수 있었다. &nbsp;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. &nbsp; <img src="<a href="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0201.jpg" target=nlink>http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0201.jpg</a>" width="192" height="192" border="0"> &nbsp; &lt;그림 2.1&gt; &nbsp;톰슨의 원자모형 &nbsp; &nbsp;&nbsp;현미경이 아무리 배율이 높아도 원자를 직접 볼 수는 없다. &nbsp;따라서 원자의 내부구조를 알려면 간접적인 탐사방법을 써야 한다. &nbsp;러더퍼드는 방사성 원소인 라듐에서 나오는 알파입자(선)를 사용하여 얇은 금박에 부딪혀 보는 방법으로 원자의 내부 구조를 탐사하였다. &nbsp;그 결과 대부분의 알파입자는 진로가 거의 휘어지지 않은 채로 금박의 원자들을 통과하였으나, 극히 일부의 알파입자가 크게 산란되거나 반대방향으로 되튕기는 놀라운 현상을 발견하였다. &nbsp;러더퍼드는 이 실험 결과를 매우 작고 단단한 물체가 원자의 중심부에 있기 때문이라고 해석하였다. &nbsp;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. &nbsp;오늘날 우리가 '원자핵'으로 알고 있는 것이 이때야 비로소 발견된 것이다. &nbsp; <img src="<a href="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0202.jpg" target=nlink>http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0202.jpg</a>" width="237" height="216" border="0"> &nbsp; &lt;그림 2.2&gt; &nbsp;러더퍼드의 원자모형 &nbsp; &nbsp;&nbsp;1911년에 원자의 핵 모형을 제시한 러더퍼드는, 방사선을 이용한 원자 내부 탐사를 계속하여 1919년에는 양성자를 발견하였다. &nbsp;양성자는 원자핵을 구성하는 핵자의 하나이다. &nbsp;양성자가 수소원자와 거의 질량이 같은 것으로 보아, 수소원자는 하나의 양성자와 하나의 전자로 이루어졌다고 추측하는 것이 가능했다. &nbsp;1932년에는 채드윅이 또 다른 핵자인 중성자를 발견하였다. &nbsp;&nbsp;이렇게 전자와 양성자, 중성자의 발견으로 현재와 같은 원자 모형의 기본 틀이 완성되었다. &nbsp;즉, 원자는 양성자와 중성자가 한데 어우러져 있는 원자핵과, 이 원자핵의 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다는 것이다. &nbsp;&nbsp;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. &nbsp;보어가 말하는 전자각은 마치 양파껍질처럼 원자핵을 겹겹이 에워싸고 있는데, 원자핵에 가까운 전자각일수록 에너지 준위가 낮다. &nbsp;각 에너지 준위마다 들어갈 수 있는 전자의 수는 제한되어 있어서, 안쪽의 전자각이 모두 채워지면 그 다음 전자는 바깥쪽 전자각에 위치하게 된다. &nbsp; <img src="<a href="http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0203.jpg" target=nlink>http://cowhiterose.net/layaforce/anu/images/j0203.jpg</a>"> &nbsp; &lt;그림 2.3&gt; &nbsp;보어의 원자모형 &nbsp; &nbsp;&nbsp;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. &nbsp;물질의 궁극 입자가 하나가 아니라 세 종류라는 사실이 약간의 여운을 남기고는 있지만 크게 문제되지는 않았다. &nbsp;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. &nbsp;&nbsp;그러나 물질의 궁극에 도달했다는 기쁨도 잠시, 중성미자와 뮤온, 중간자 같은 새로운 입자들이 제안되거나 발견되었다. &nbsp;람다입자(Λ)와 케이입자(K)도 추가로 발견되었다. &nbsp;이들은 양성자와 중성자, 그리고 전자와 함께 모두 '소립자(素粒子)'라는 이름으로 총칭되었다. &nbsp;소립자란 기본이 되는 입자라는 뜻이다. &nbsp;&nbsp;한편, 1930년대부터 만들어지기 시작한 입자가속기는 입자물리학에 획기적인 발전을 가져왔다. &nbsp;수없이 많은 새로운 입자의 발견을 가능하게 한 것이다. &nbsp;&nbsp;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. &nbsp;초기의 입자가속기는 크기가 아주 작았지만, 20세기 후반에는 엄청나게 덩치가 커져 유럽 세른(CERN)의 양성자 싱크로트론의 경우 그 둘레가 7㎞나 된다. &nbsp;규모가 크다는 것은 그만큼 가해지는 에너지가 높다는 것이고, 에너지가 높으면 생성되는 입자도 그만큼 다양해진다. &nbsp;&nbsp;곧 새로운 입자의 발견이 홍수를 이루었고, 소립자의 수도 급격하게 늘어나서 무려 200개를 넘어서게 되었다. &nbsp;당연히 양성자, 중성자, 전자의 원자모델에 만족하고 있던 물리학자들은 아연실색하지 않을 수 없었다. &nbsp;도대체 자연은 왜 이렇게 많은 종류의 소립자를 필요로 하는 것일까? &nbsp;이 많은 소립자들을 모두 다 기본 입자라고 할 수 있을까? &nbsp;혹시 소립자들도 원자와 마찬가지로 하부구조를 갖는 것은 아닐까? &nbsp;&nbsp;물리학자들이 하는 중요한 일 하나는 자연을 될 수 있는 한 단순화시켜서 설명하는 것이다. &nbsp;일견 무질서해보이는 자연의 여러 현상들을 하나의 단순한 법칙이나 방정식으로 표현해낼 때, 그 감동은 희열을 넘어 아름답기까지 하다. &nbsp;멘델레프의 주기율표가 그런 찬사를 받을 만했고, 러더퍼드나 보어의 원자모델도 그리 나쁘지는 않았다. &nbsp;그런데 이제 입자물리학계에 또다시 혼돈의 바람이 불어닥치고 있는 것이다. &nbsp;누가 이 위기를 구할 것인가?