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[영원한 순례자]

원자의 구조

원자는 실제로 어떻게 생겼을까?

동그란 구슬처럼 생겼을까? 달걀처럼 생겼을까? 안에 노른자가 있는...

둘다 맞다. 겉모습은 구슬처럼, 내부의 모습은 달걀처럼 생겼다.

원자 현미경으로 보면 확실히 알 수가  있다.

원자 현미경은 게르트 비니히와 하인리히 로러가 발명하였다.(1982년)

이것으로 그들은 1986년 노벨 물리학상을 받았다.

그런데 원자 현미경을 얼마나 크게 확대할 수 있길래 원자를 볼 수 있는 것일까?

사실 원자 현미경은 물질을 확대하는 것이 아니라 느끼는 것이다.

사람이 점자책을 보거나 바늘로 레코드판을 읽은 원리와 비슷하다.

탐침이 원자를 밀어내거나 끌어당기면서 움직인다.

이렇게 원자의 표면을 직접 긁으면서 감지한다.

현대에는 이렇게 원자를 현미경으로 관찰할 수 있지만 100년 전에는 감히 상상도

못한 일이었다. 다만 끊임없는 노력으로 원자의 구조를 하나하나 밝혀낸 것이다.

렙톤,쿼크

생명이 주위 환경에서 물질을 섭취하여 에너지로 사용하듯

우리 모두에게 생명을 불어 넣어준 별들도

우주에 널려 있는 수소를 연료로 생명을 유지한다.

그러므로 별의 일생을 이해하기 위해서는 먼저 원자에 대해 이해를 해야 한다.

자연에는 수소에서부터 우라늄까지

화학적 성질이 뚜렷하게 다른 92종의 원소가 존재하며

원자핵반응에 의해 만들어지는 인공원소로는 넵투늄에서부터 우닐셉튬까지 15종이 알려져 있다.

-불은 화학 원소로 만들어진 것이 아니다.

원자가 고온의 상태에 놓이면 전자를 잃고 전리(電離 electrolytic dissociation)된다.

이렇게 전리된 고온의 플라스마가 내는 전자기 파동이 우리에게 불로 보이는 것이다.

원자(原子 atom) 라는 용어는 물질의 궁극적 입자라는 뜻으로

화학 원소로서의 특성을 유지하는 가장 작은 단위이다.

우리 몸을 구성하는 원자들의 총수는 대략 1028 개이며,

관측 가능한 우주에 들어 있는 양성자, 중성자, 전자와 같은 소립자들의 총 수는 대략 1080 개가 된다.

양성자와 중성자 같은 소립자들을 구성하는

더 근본적인 알갱이를 쿼크 quark라고 부른다.

쿼크야말로 궁극의 기본 입자인지, 아니면 쿼크도 더 근본적인 입자들로 구성돼 있는지는 아직 모른다.

일단 쿼크라는 것에 대해 다시 알아보면,

쿼크란 질량이나 크기 등을 알 수 없는 입자입니다.

현재까지 확실히 밝혀진 양성자, 중성자, 전자 등은 각기 다른 성질을 갖고 있습니다.

때문에, 이 입자들이 다른 물질로 이루어져 있는 것이 아닐까 하는 생각에서부터

쿼크나 렙톤이라는 개념이 도입된 것입니다.

쿼크나 렙톤은 어떤 물리적 성질을 갖고 있는 '실제 존재하는 입자'라기 보단

그냥 어떤 에너지 형태의 물질이 아닐까 하는 의문도 제기되어 왔습니다.

제일 큰 게 원자 핵이네요.

 1펩토 미터 정도 된다고 합니다.

그리고 다음은 중간자 소립자의 한종류라 미립자보다는 크다고 하네요.

그리고 다음은 미립자와 쿼크네요. 쿼크가 미립자의 한종류라 같은 순위를 매겼구요

광자는 이론상 존자하는 빛의 입자라서 크기나 질량 따위가 존재하지 않습니다.

따라서 결론은

원자핵 > 중간자 > 미립자,쿼크 > 광자

궁극의 입자를 찾기 위해

우리는 언제까지 물질의 내부를 더 깊이 들여다봐야 하는 것인지도,

기본 입자를 찾는 행진이 끝도 없이 영원히 계속되는 것인지도 아직 모른다.

이것이야말로 현대 과학이 풀어야 할 가장 근본이 되는 문제 중 하나일 것이다.

원자핵 모형도

1미터. 이 그림을 잘 기억해주세요.

10센티미터. 더 조밀한 비율입니다.

이 사진은 손등을 조금 확대해서 보여준 그림입니다.

1센티미터 손등의 그림을 더 확대한 모습이죠.

손등의 주름은 그만큼 손이 유연성이 있다는걸 의미한답니다.

0.1 센티미터(1밀리미터)

살 아래엔 작은 혈관이 흐르겠죠?

0.1밀리미터. 머나먼 별이 익숙하지 않은것처럼,

우리의 몸이라고 해도 이렇게 확대된 부분은 익숙하지가 않군요.

0.01밀리미터 하얀 림프구 세포입니다.

1마이크로미터. 세포의 핵으로 들어가는겁니다.

1000 옹스트롬. (0.1마이크로미터 , 0.0000001미터)

기다란 분자 구조가 얽히고 ?혀서 세밀한 DNA를 구성하고 있습니다.

이러한 DNA구조는 모든 세포 내의 핵에 존재합니다.

100 옹스트롬

DNA의 2중 나선 구조지요.

10 옹스트롬 분자단위의 스케일입니다.

1 옹스트롬 원자 단위의 스케일입니다.

핵 주변으로의 전자 구름이 보입니다.

0.1옹스트롬

탄소원자입니다.

1 피코미터 (0.000000000001미터)

원자의 핵.

0.1 피코미터

좀 더 가까이서 볼까요?

0.01 피코미터

양성자와 중성자로 구성되어 있는 원자의 핵 입니다.

0.001 피코미터

현대 물리학에서 최근에 탐구하기 시작한 양성자의 안쪽 부분이지요.

0.0001 피코미터

더 확대해보면 무엇이 있을까요...

원자의 구조

원자는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있다. 전자의 개수는 원소마다 다르며 이것은 그 원소의 특성을 결정짓는 이유이기도 하다. 전자는 전기적으로 (-)를 띠며 (+)를 띠는 양전하는 원자핵 속에 있다. 원자핵은 또한, 중성자와 소립자, 미립자, 쿼크 등으로 구성된다. 전자는 원자핵에 비해서 약 2,700배 가볍기 때문에 전자만 이동을 한다.

표준모형이론―'표준 모형 이론'에서 우주를 이루는 소립자 수

"물질을 구성하는 12개(렙톤, 쿼크 )와 힘을 전달하는 4개(광자, 글루온, W, Z), 그리고 힉스 입자다.  17개

―인간의 영혼, 혹은 정신은 존재하는가?
"우주를 이루는 이 입자들에는 영혼을 이루는 물질이 없다.

그래서 물리학에서는 영혼이라는 것은 존재하지 않는다."
―우리가 죽은 뒤에는 어떻게 되나?
"원래 우리를 구성했던 우주의 입자 상태로 되돌아간다."

 

원자의 구조

렙톤 6개 +퀴크 6개

렙톤:전자,뮤온,타우

       전자중성미자,뮤온중성미자,타우중성미자

쿼크:업쿼크, 스트레인지 쿼크, 톱쿼크

       다운쿼크,참쿼크, 보톰쿼크

※힉스입자:입자(소립자)에 질량이 부여된 후 사라지는 메카니즘의 입자

원자:전자+원자핵

원자핵:양성자+중성자>쿼크,렙톤

※원자가 축구장 크기라면 원자핵은 그 속의 야구공만한 크기.

렙톤[ lepton ]

양성자, 중성자 등 무거운 입자(바리온)에 대해 가벼운 입자를 지칭하는 말

자연계에는 두 종류의 기본적인 입자가 있다. 원자핵 속의 입자와 원자핵 바깥에 있는 입자다. 원자핵 속의 입자는 양자와 중성자 등으로 하드론(강하다는 뜻의 그리스어)이라고 불린다. 원자핵 바깥에 있는 입자를 렙톤(약하다는 뜻의 그리스어)이라고 하며, 경입자(輕粒子)라고도 한다. 렙톤은 쿼크로 구성돼 있지 않고 그 자체가 기본 입자라고 알려져 있다. 렙톤의 종류는 6개다. 이 가운데에서 전자(electron), 뮤온(muon), 타우온(tauon)은 음의 전하를 가지고 있고, 각각에 대응되는 3개의 중성미자(뉴트리노, neutrino)는 전하를 가지고 있지 않다.

쿼크

(quark )

물질의 구성요소인 원자는 원자핵과 그 둘레의 전자(電子)로 이루어져 있으며, 원자핵은 양성자와 중성자(둘을 합쳐 핵자〈核子〉라 총칭한다)로 이루어져 있다.

양성자와 중성자 및 그것들 사이에 교환되는 π 중간자 등은 소립자(素粒子)라 불리는데, 종래에는 그 이상 분할할 수 없는 궁극의 입자라 생각되어 왔다.

그런데 새로운 소립자가 잇따라 발견되어 그 수가 증가함에 따라, M. 겔만과 G. 츠바이크는 이들 입자도 복합체이며, 더욱 작은 쿼크라 불리는 초소립자(超素粒子)로 구성되어 있다는 설 (쿼크설)을 제창했다.

쿼크 그 자체가 발견된 것은 아니지만 가속기(加速器)를 사용한 실험결과가 쿼크설을 뒷받침하고 있어, 현재 쿼크의 존재는 확실한 것으로 간주된다.

종래에 궁극의 입자로 생각되었던 핵자가 점 모양의 입자가 아니고 구조를 가진다는 것(즉, 복합체라는 것)은 다음과 같은 경위로 밝혀졌다.

전자를 양성자로 산란(散亂)시켜 보면 양성자가 이루는 전기장은 점전하(點電荷)의 그것과 달리, 양성자의 전하가 퍼져 분포되어 있다는 것을 알 수 있다.

양성자나 중성자도 디랙의 이론으로부터 예상되는 것과 다른 이상자기(異常磁氣) 모멘트를 가지며, 이것도 퍼진 영역에 분포되어 있다.

또한 핵자는 회전들뜬상태〔回轉勵起狀態〕를 가지며, 관성(慣性) 모멘트가 유한(有限)이므로 질량도 유한한 영역에 분포해 있어야 한다.

그 구조를 알아보기 위해 고(高) 에너지의 전자나 중성미자(中性微子)를 충돌시켜 보면, 핵자가 더욱 작은 입자로 이루어져 있다는 것을 알게 된다.

이것이 쿼크이다.

튀어나온 쿼크는 즉각 몇 개의 중간자로 전화해 제트라 불리는 입자의 묶음으로서 관측된다.

〔쿼크의 종류〕 쿼크에는 5종류가 있다는 것이 밝혀져 있다.

쿼크 중에서 가장 가벼운 것은 u와 d로 불리는데, 양성자는 uud, 중성자는 udd라는 구성이며, π 중간자는 u (-는 반입자〈反粒子〉를 나타낸다), π 중간자는 uu와 d가 섞인 것이다.

양성자의 전하가 전기소량(電氣素量) e를 단위로 해 1, 중성자는 0이므로, u쿼크의 전하는 2/3, d쿼크의 전하는 -1/3이다.

다만 이와 같은 전하를 검출하는 시도는 모두 실패했다.

쿼크는 즉각 중간자 등으로 바뀌어 단독 입자로는 존속하지 않는다고 생각된다. 즉, 쿼크는 소립자의 내부에는 존재하지만 밖으로는 나오지 않는다.

이것을 쿼크의 「국한」이라 한다. U, d 외에 조금 무거운 s쿼크가 있는데, 그 전하는 -1/3이다.

u, d, s 의 3종과 그 반입 자 u, , 로 중간자를 만들면 9종류가 되는데, 실제로 π중간자의 종류가 9종 존재한다.

또 반입자를 포함해 3종의 쿼크에서 3개를 선택하면 10가지의 조합이 가능한데, 실제로 핵자의 종류로서 10종의 무리가 발견되어 있다.

1974년에 전하 2/3인 c쿼크의 존재가 입증되었으며, 그 후 전하 1/3인 b쿼크의 존재도 밝혀졌다.

이론의 정합성(整合性)에서 그 존재가 예상되고 있던 더욱 무거운 전하 2/3인 t쿼크도, 84년 그에 가까운 것이 발견된 데 이어 95년 그 존재를 확인했다는 보고가 제출되었다.

b쿼크의 질량은 양성자 질량의 약 5배, C쿼크의 질량은 약 1.5배, S쿼크의 질량은 약 1/3, U쿼크 및 d쿼크의 질량은 거의 0이다.

쿼크에는 각각 3종의 서로 다른 것이 있는데, 빨간색 · 파란색 · 초록색의 이름을 붙여 구별한다.

즉, U쿼크에는 빨간 u쿼크, 파란 u쿼크, 초록 u쿼크가 있고, 다른 것도 마찬가지이다.

이것을 컬러 자유도(自由度)라 한다.

색의 차이를 실험적으로 식별할 수 있는 것은 아니지만, 자연계에 존재하는 소립자는 모두 무색의 조합(예컨대 빨강, 파랑, 초록 1개씩, 또는 빨강과 반〈反〉빨강)이라는 원리가 성립한다.

쿼크라는 이름은 켈만이 J. 조이스의 소설《Finnegans Wake》속의 한 구절인「Three quarks for Muster Mark」에서 딴 것으로 알려져 있다.

○핵의 구조 - 빅뱅 후 일어난 일

[영원한 순례자]

원자의 구조를 아주 자세하게 설명한 블로거의 글입니다.