공부하고 정리하고

반응 단면적

반응 단면적이라 함은 단면적이라는 말에서 느껴지는 기하학적이라는 의미로 생각하기 보다는 그 대상과의 상호작용의 정도를 확률로 나타냅니다. 그러니 확률이라고 생각하시는게 좋습니다. 

그래서 반응할 확률입니다.
표시는 다음과 같이 σ를 사용하고 단위는 cm2를 사용합니다.

보통 핵자 크기에서 반응 단면적을 이야기할때는 barn이라는 단위를 사용하는데 cm2 의 단위로 표현하기에는 그 값이 매우 작기 때문입니다. 

 1barn = 10-24cm2

이 반응 단면적은 산란으로 작용할 수도 흡수를 할 수도 있습니다.

우리는 흡수단면적을 볼것이고 이중에 핵분열을 유도하는 핵분열단면적을 살펴보아야 합니다.

핵분열단면적

핵분열을 일으킴에 있어 그 원인이 되는 입자를 고려할때 핵분열단면적이 큰 물질 즉, 핵분열을 일으킬 확률이 높은 물질을 찾아야 합니다. 핵분열을 일으킬 확률이 낮다면 그만큼 더 많은 입자를 필요로 할 것이고 이것은 경제성을 낮추는 주 원인이기 때문입니다. 
우리가 사용할 수 있는 입자는 원자를 기준으로 중성자, 양성자, 전자가 있겠습니다.
우선, 전자를 보면 전자가 원자핵을 향해 가서 충돌한다고 하였을 때 핵은 분열을 할까요?
원자를 기준으로 원자핵이 원자 안에서 차지하는 질량 비율은 거의 100%입니다. 양성자의 질량은 전자의 질량의 1800배이고 중성자는 양성자와 전자의 질량을 합친것보다 큽니다. 

전자에 비해 핵은 전자의 질량을 무시할만한 큰 질량을 가졌고 크기도 전자가 먼지라면 핵은 축구공만하다고 할 수 있으니깐 핵분열을 일으키기 쉬울 것 같지는 않습니다. 

아인슈타인의 질량 에너지 등가식을 보면 정지질량에 의한 에너지가 상당한 것을 알 수 있습니다. 그럼 적어도 전자는 이 정지질량에 해당하는 에너지만큼은 넘어서야 합니다. 그렇게 하기에는 현실적으로 어려울 겁니다.

양성자는 어떨까요?

핵이 양성자와 중성자의 결합으로 이루어져있으니까 충격이 꽤나 클 겁니다.
지구로 치면 달 같은 게 가속해서 온다고 생각하면 되려나요?
그런데 양성자는 문제가 하나 존재합니다. 반응 단면적이 굉장히 작다고 할 수 있는데요.
그 이유는 전하량을 가졌기 때문입니다.
핵에 존재하는 양성자들은 +전하를 가졌고 이들이 포텐셜 장벽을 형성합니다.
쉽게 말하면 N극이 N극을 밀어내는 것처럼 양성자는 이 핵안으로 들어가는 데에 큰 방해를 받게 됩니다.
제가 저번 시간에 소개해드린

이 반응에서는 양성자가 핵반응을 일으켰다고 했었죠?
해당 입자가 리튬이 아니라 무거운 핵자였다면 이당시 사용한 고전압으로는 어림도 없었을 겁니다. 클롱힘은 무거운 핵자일수록 커지니까요.! (더 많은 양성자에 의해서)

그래서 양성자는 이 클롱장벽에 의해 상당한 에너지를 주어야 장벽을 뛰어넘을 수 있습니다.

물론 터널링현상으로 반응이 가능하기에 반응이 완전 안 일어난다고는 할 수 없습니다.

마지막으로 중성자는 어떨까요?
과연 어떠한 장점을 가졌을까요?
이 중성자는 말 그대로 중성입니다. 전하를 가지고 있지 않습니다.
그런데 양성자와 거의 비슷한 질량을 가집니다.
그리고 이 중성자는 핵에서 생성시킨 클롱 장벽의 방해를 받지 않습니다.
그렇기에 핵분열을 유도해내는데 양성자만큼 큰 힘을 들일 필요가 없게 됩니다.

핵분열을 유발하는데 사용가능한 입자는 양성자와 중성자입니다. 그런데 양성자는 핵분열을 유발하기 위해서는 고에너지를 주어야 하기 때문에 가속기의 사용이 필수적입니다. 하지만 중성자는 전하를 안 띤다는 특성으로 가속기에서 가속은 못 하지만 반응단면적이 큰 특징을 가져서 원자로에서 핵분열을 유발하는 source로 사용이 가능합니다.
또한, 핵분열시에 중성자가 발생하고 이것을 또 핵분열에 사용할 수 있기 때문에 임계구동이 가능한것이 또 그 이유가 되겠습니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

에너지 궤도의 불연속성

원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있는 핵이 중심에 존재하고 그 주위를 전자가 돌고 있는 구조입니다. 이때 전자는 원운동을 하면서도 전자기파를 발생시켜 에너지를 잃어버리는 행위를 하지 않고 안정적으로 핵 주위를 돌게 됩니다. 이렇게 되는 이유는 보어의 원자 모델로 설명이 되는데 전자의 궤도가 양자화되어 불연속적으로 존재하기 때문입니다.

전자의 궤도는 불연속적으로 여러 개 존재한다..!! 

그리고 핵과 가까운 궤도일수록 바닥상태 즉, 에너지가 낮은 상태입니다.

이렇게 불연속적으로 존재하는 전자는 가장 가까운 궤도부터 K껍질, L껍질, M껍질, N껍질이 존재하고 각 궤도마다 채워질 수 있는 전자의 개수는 주양자수, 궤도양자수, 자기양자수, 스핀양자수에 따라 최대로 채워질 수 있는 개수가 정해집니다.

그리고 파울리 배타원리에 의해 같은 양자수를 가진 전자가 나타날 수 없다는 점을 알아야 합니다. 즉, 전자의 경우는 업스핀과 다운스핀이 있고 존재할시 업업 혹은 다운다운의 묶음이 아닌 반드시 업다운 혹은 다운업과 같이 다른상태로 존재해야 합니다.

제만 효과(Zeeman Effect)

각각의 에너지 궤도에는 파울리 배타원리에 의해 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 존재합니다. 그러니까 무조건 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 같이 존재하는 겁니다.

이때 우리는 이 물질에 일정한 자기장을 걸어준다고 합시다.

그러면 동일한 상황에 있던 전자들은 자기장에 의해 정렬이 됩니다. 그러면서 무작위로 있던 업스핀과 다운스핀들의 묶음이 정렬이 됩니다.

그런데 불연속적인 에너지 궤도가 이때 갈라지는 현상이 발생합니다.
하나인 줄 알았던 에너지 궤도가 자기장에 의해 두개의 선으로 갈라지게 된 겁니다. 

이를 제만효과(Zeeman Effect)라고 합니다.

사실 실제로도 하나의 궤도는 아닙니다.. 여러 효과로인한 보정이 필요합니다.

이 갈라짐은 동일한 궤도 선상에 있던 전자가 업스핀과 다운스핀에 의해 생긴 각각의 자기 모멘트가 있는데 외부 자기장에 의해 하나는 같은 방향이라서 더 강해지고 하나는 상쇄되는 영향을 받게 됩니다. 그래서 방향이 같은 경우는 상대적으로 더 들뜬 방향인 위쪽 방향으로 궤도를 형성하고 반대 방향의 경우는 상대적으로 더 안정된 밑쪽 방향으로 궤도를 형성합니다.
이때 아래쪽에 존재하는 전자가 업스핀 위쪽에 존재하는 전자가 다운스핀을 가집니다.
그러니까 간단히 말하면 “자기장의 영향을 받아 에너지 궤도가 두개로 갈라진다. 그리고 전자의 스핀 상태에 따라 분류가 된다.” 입니다.

그럼 이 갈리지는 상태에서 더 아래쪽에 있는 즉, 더 안정된 상태에 있는 전자와 더 위에 있는 전자는 존재함을 확률로써 나타냅니다.
그러니까 위에 있을 확률이 30%고 아래에 있을 확률이 70%라면 100개의 전자가 있으면 30개가 위에 그리고 70개가 아래에 대략 존재하겠죠. 이런 식으로 분포의 정도를 확률로 나타냅니다.

그런데 이 분포는 볼츠만 분포라는 분포를 따릅니다.

종 모양의 분포인데 이 분포에 의해 계산을 해보면 외부 자기장이 강할수록 아래쪽에 위치하는 전자가 더 많아집니다.
그런데 앞으로 NMR에 대해 보다 보면 아시겠지만 아래쪽에 위치하는 전자가 많을수록 NMR의 감도는 증가합니다. 그래서 높은 자기장을 걸어주는게 좋습니다.

지금까지의 내용을 정리해보겠습니다.
전자는 핵과 가까운 위치부터 에너지가 낮은 여러 에너지궤도를 가진다.
이 궤도는 하나씩 불연속적으로 존재하는 것으로 보이나 자기장을 걸어주면 갈라짐이 발생한다.
이때 갈라졌을 때 높은 자기장을 걸어줄수록 더 안정적인 궤도에 존재하는 전자가 많아진다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

 오늘은 방사성동위원소가 진단 분야에서 활용이 되는 PET에 대해서 알아보겠습니다.

양전자란?

양전자라는 말이 익숙하신가요?
제가 예전에 소개했던 반물질에 대해 아시나요? 를 읽어보신 분이라면 익숙하시겠지만 그래도 한 번 더 설명하도록 하겠습니다.

양전자는 흔히 우리가 아는 전자와 부호가 반대인 전자입니다. 그래서 반입자라고도 합니다.
이 반입자는 입자와 만나 소멸하는 반응을 굉장히 잘합니다. 그런데 우리의 우주는 입자와 반입자의 균형이 깨져 입자가 가득한 세상을 이루고 있습니다. 그래서 반입자가 생겨나면 바로 주변의 입자들과 반응하여 소멸하게 됩니다. 이러한 현상은 전자와 양전자 사이에서도 일어납니다.
이를 쌍소멸이라고 하는데 전자와 양전자가 만나서 사라지고 감마선 또는 다른 입자의 형태로 변환됩니다.

이라는 식에 따라서 말입니다.

이때 조건이 있습니다. 이 반응 시 전하량과 운동량, 에너지가 보존이 되어야 합니다.
전하량이 보존이 되기 위해서는 전하량의 합이 0이 되어야 합니다. 그런데 양전자와 전자는 부호만 다르고 양 자체는 같으니까 합하면 0이되어 전하량이 보존이 됩니다.
운동량과 에너지를 보존하기 위해서는 우선 에너지의 경우는 반응 전 후의 에너지 합이 같아야 합니다. 하나의 전자가 가지는 정지질량에 해당하는 에너지는 0.511MeV이고 두 개가 만나 대략 1.1MeV의 에너지가 반응 후의 에너지입니다.
그리고 운동량의 경우는 두개의 입자가 만나서 생기는 결과인 감마선이 반응 전 입자와 운동량 보존을 이루기 위해서는 충돌해서 반응 전 운동량의 합이 0임을 고려해서 반응 후 감마선의 운동량도 0이 되어야 합니다.
이를 위해서는 에너지를 반으로 나눠서 반대 방향으로 방출된다면 운동량의 합을 0으로 만들 수 있습니다.

그래서 결론은 다음과 같습니다.

양전자는 전자와 만나서 쌍소멸을 한다.

쌍소멸시 생성되는 감마선은 두 개로 나뉘어 반대방향으로 방출된다.

자 이제 본론으로 이제 들어가 보겠습니다.

PET?

PET는 Positron Emission Tomography라 하여 양전자 방출 단층 촬영을 말합니다.
양전자를 방출하는 물질을 사용한 단층 촬영법입니다.

그렇다면 왜 양전자를 방출하는 물질을 사용할까요?

양전자는 쌍소멸이라는 반응을 통해 반대 방향으로 나아가는 감마선을 방출하는 특징을 가졌습니다. 즉, 검출기에서 감지가 되었을 때 이 감마선이 어디서 왔는지 역으로 예측이 가능합니다.
위치를 확인할 때 우리는 종양이 있는 곳을 찾아내고 싶습니다. 그래서 이 양전자를 내는 물질을 종양에 보내야 합니다. 종양이 없는 데서 이 양전자를 내고 있으면 PET라는 장비는 무쓸모가 되버리니까요.
그렇다면 한 번 생각해봅시다. 인체 내부에 종양과 같은 것을 찾아내기 위해서 우리가 어떤 방사성동위원소를 사용해야 할까요.? 두가지 정도의 조건이 필요할 것으로 생각이 됩니다.

1. 인체와 거부반응이 없어야 한다.
   거부반응이 없으려면 최대한 화학적 물리적으로 비슷한 물질을 사용해야 합니다. 그래서 우리 몸을 이루고 있는 주요 구성 성분인 산소(O), 질소(N), 탄소(C), 불소(F)의 방사성 동위원소를 활용한다고 합니다.
2. 인체보다는 암과 활발한 반응이 일어나야 한다.
   1번 조건을 통과해서 인체에 들어왔지만 말 그대로 반응이 없이 몸밖으로 배출이 된다면 의미가 없습니다. 그래서 투여되는 방사성 동위원소가 암세포에 모이도록 만들어 줄 필요가 있습니다.

그래서 보통 사용하는게 방사성 의약품인 F-18-불화디옥시포도당이라는 물질이라는데 포도당 유사물질이라고 합니다. 종양이 포도당을 많이 사용하는 특징이 있어 이 물질을 투여하면 종양에 많이 모이게 되고 검출기에서도 이부분이 더 많이 검출되게 됩니다.

영상을 어떻게..?

자 이제 CT에서와 유사합니다. 의료분야에서의 활용2 CT
감마선을 검출하는 검출기가 둘러쌓여있고 이를 검출했을 때 나오는 위치를 데이터화해서 이를 영상화하게 됩니다.
CT와 다른점은 CT는 외부에서 방사선을 조사시켜 감쇠된 정도의 차로 영상을 얻은 반면 PET는 암세포의 존재여부로 영상이 달라지게 됩니다.
그래서 PET의 경우는 암세포와 같은 곳에 모여서 검출되는 특징이 있는것처럼 몸안의 구조를 분별있게 영상화해주지는 못합니다. 이를 보완하기위해 CT의 해부학적 영상을 같이 보도록 보통 PET-CT로 같이 사용하게 됩니다.

PET 말고도 SPECT라는 감마카메라도 존재하는데 양전자를 사용하는 PET과 달리 감마선을 내는 물질을 사용하는 차이가 있지만 영상을 얻어내는 기본적인 원리는 동일한 것으로 알고 있습니다. 그래서 생략하도록 하고 진단 분야에서의 활용은 끝을 맺겠습니다.

자연계를 이루는 모든 기본입자들은 기본 고유량을 가지고 있습니다.
전하량과 스핀 그리고 질량을 가지고 있습니다. 이중에 질량은 어떻게 생기게 되는지 궁금했습니다. 질량은 왜 다른 것인지 어떻게 생겨나는 것인지 말입니다.
이를 설명해주는 것이 힉스입자이고 CERN에서 입자가속기를 통해 찾아내었습니다.
그래서 오늘은 힉스에 대해서 간단히 알아보고 어떻게 찾아내었는지도 간략히 알아보겠습니다.

힉스란?

137억년 전 우주 탄생 당시 모든 물질에 질량을 부여해준 입자입니다. 그래서 신의 입자라고도 불립니다.

이 힉스입자는 힉스장을 형성합니다. 광자가 전자기력장을 형성하는 것처럼요.
이 힉스장과 상호작용을 강하게 하는 물질일수록 많은 질량을 부여받습니다. 여기서 상호작용을 강하게 한다는 것은 물질이 이동을 할 때 더 많은 저항을 받는다는 이야기입니다.

우리가 아는 이야기로 한다면 뉴턴의 운동법칙인 F=ma를 떠올려보죠. 질량이 높을수록 더 많은 힘을 필요로 합니다. 즉, 이동을 시키는데 더 많은 힘이 드는 것이죠.
이러한 것처럼 힉스장을 통해 상호작용을 한 정도로 입자들은 질량을 부여받습니다.

그렇다면 질량이 없는 입자는?
힉스장과 상호작용을 하지 않는 것이죠.

LHC 가속기를 통한 검출

여기서 사용되는 입자가속기도 앞으로 제가 아는선에서 간단하게 설명을 할 예정입니다. 하지만 오늘의 주제에서 약간 벗어나는 만큼 간단히 사용되는 가속기의 과정만 설명하겠습니다.

처음에 양성자와 같은 입자를 선형 가속기를 사용해 booster시켜 가속을 조금 시켜줍니다.
이때 중성자와 같이 전하가 중성인 입자는 사용할 수 없습니다.
가속기는 전자기력을 이용해 가속시키기 때문입니다.
그런데 이 선형가속기로는 한계가 있고 더 높은 에너지까지 가속을 위해서 단계적으로 가속을 시켜줍니다. 싱크로트론이라는 링모양의 가속기를 통해서 말입니다.
이 가속기는 반경이 클수록 더 높은 에너지로 가속을 시킬수 있습니다. 그래서 순차적으로 더 반경이 큰 가속기를 사용해 가속을 시키고 마지막으로는 반경이 27km인 LHC를 통해 7TeV라는 테라 크기의 에너지까지 가속을 시킵니다.

그리고 반대편에서는 똑같이 7TeV의 에너지를 가진 양성자를 보내 부딪히게 하고 붕괴 당시에 나오는 입자들을 검출기를 통해 검출하도록 합니다. 여기에는 여러 검출기들이 있지만 ATLAS와 CMS가 대표적이고 CMS 검출기가 힉스입자 발견을 해내게 됩니다.

여담으로

여기서 검출기는 대형 검출기이고 매우 복잡합니다. 기본적으로 붕괴 시 발생하는 입자들을 검출해내기 위해서는 매우 정밀하고 예민한 상호작용을 해주어야 합니다. 그렇기에 수많은 검출기들이 달려있는데 이중 우리나라에서 뮤온 검출기를 제작해서 CMS검출기에서 현재 사용 중이라고 합니다.

한가지 명심해야하는 것이 입자를 가속한다고 해서 1개의 입자만 가속한다고 생각하면 안됩니다. 그렇게 하는 것이 불가능하기도하고 결과값을 얻어내기도 힘들겁니다. 그래서 한번에 많은 입자들이 가속이 됩니다. 그런데 가속되서 붕괴입자가 나온다고 모든 데이터를 다 읽을수 있을까요?
아닙니다. 초창기에는 검출기에 1011개의 충돌 데이터가 들어온다고 하면 여기서 1개정도의 데이터를 얻었다고 합니다. 현재는 20~30개 정도의 데이터를 얻을 수 있다고 하니 많이 정밀해졌습니다.
그래서 1초에 4000만번정도 충돌을 시키고 이중에 300~400개의 데이터를 얻어와 분석을 한다고 합니다.

여기까지 읽으셨으면 오늘의 주제인 힉스와 무슨 상관이 있는지 이해가 잘 안되실 겁니다.
사실 가속기소개를 건너뛰고 여기서부터 읽어도 됩니다. 앞의 내용은 힉스입자를 발견하기위한 도구에 대한 간략한 설명일뿐입니다.
이 입자가속기에서 힉스를 확인하는 방법은 다음과 같습니다.
(저도 왜 이러한 과정으로 발생하는지 모릅니다. )
총 14TeV에 해당하는 에너지의 충돌로 붕괴하기 시작한 양성자에 쿼크와 글루온이 직접적으로 상호작용을 하고 있습니다.
(쿼크는 표준모형이 뭐지?)
(글루온은 힘의 근원은 뭘까?) 에서 설명하였습니다.

이때 두개의 글루온이 순간적으로 강한상호작용을 하여 힉스입자를 만들어 냅니다.
이 힉스입자는 단계적으로 붕괴하여 광자와 뮤온을 방출하게 되고 이를 검출기를 통해 검출합니다. 이때 발생하는 과정은 에너지보존과 운동량보존을 따르므로 역으로 계산을 할수있게 됩니다.

위와 같은 식에 따릅니다. 이때 계산된 질량은 불변질량이라 합니다.

이 세상에 존재하는 모든 입자들의 질량은 우리가 파악을 하고 있습니다. 이를 불변질량분포를 통해 그래프로 나타내었을 때 만약 위에서 구한 식에 따라 구한 질량이 불변질량분포와 다르다면?
즉, 그래프에서 공명이 나타나면 다른입자임을 의심할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 힉스입자의 존재를 규명했습니다.
하지만, 검출은 매우 까다롭다고 합니다. 100억번 충돌시 1번정도 나올정도의 가능성이라고 하니 매우 까다롭다는 것을 알수 있습니다.

힉스입자를 발견해내었지만 아직 입자물리는 갈길이 많습니다. 아직 설명이 안되는 현상이 많기 때문입니다. 대표적인 해결해야할 문제들은 다음과 같습니다.

• 힉스입자는 자신에게 질량을 부여하고 그럴경우에 매우 높은 질량을 가진다는 문제가 존재합니다. 이 문제를 해결하는 방법이 대칭성을 가진 여러 개의 힉스입자가 있을것으로 생각되어 집니다.
• 중성미자들은 상호작용으로 전자뉴트리노에서 타우나, 뮤온 뉴트리노로 바뀔수 있습니다. 이를 위해서는 중성미자가 질량이 존재해야할 것으로 생각이 되는데 이를 검출하기 위해 노력중에 있습니다.
• 암흑물질과 암흑에너지에 관해서 예전에 (유령 같은 존재들 : 암흑물질과 암흑에너지를 알아보자)에서 소개했었는데요. 암흑물질과 암흑에너지에 대한 확인이 필요합니다.

위 문제들을 언젠가는 알게 되는날이 오겠죠? 힉스입자처럼 언제가는 발견이 되거나 새로운 이론이 등장할 것입니다. 이번 포스팅까지해서 입자에 대해서 알아보았는데요.
입자물리에 대해 제대로 공부해본적이 없기에 포스팅에 앞서 여러 정보를 찾아보고 쓴다고 썼지만 한계가 많음을 느꼈습니다. 그래도 끝까지 읽어주셔서 감사드립니다.

힘의 근원에 대해서 생각해본 적이 있으신가요?
우리가 사는 이 세상은 가장 기본을 이루는 입자들의 조합으로 이루어지고 있다고 우리는 알았습니다.
-세상을 이루는 물질
-표준 모형이 뭐지?

그렇다면!! 이 가장 기본을 이루는 입자들은 어떻게 이렇게 저렇게 모여서 태양을 만들고 지구를 만들고 사람을 만들었을까요?

도자기 만들기 체험을 가서 도자기를 만들었다고 생각해봅시다. 우린 도자기라는 한 물체를 진흙을 이용해 탄생시켰습니다. 이때 이 진흙들이 도자기로 탄생할 수 있도록 우리는 열심히 힘들게 만들었겠죠? 이때 진흙이 입자라면 도자기로 만드는 과정에 우리는 힘을 이용해 에너지를 부여한 것입니다. 이 세상에 뭐 하나 손쉽게 되는 일이 없죠. 저지르는 것은 쉽지만요.

마찬가지입니다. 자연계의 가장 기본 되는 입자들은 상호작용을 하는 힘을 부여받습니다. 여기서 힘은 중력과 강력 그리고 약력 마지막으로 전자기력이 있죠. 그런데 이 4가지 힘을 부여하는 것 또한 입자가 합니다. 한 번 알아보겠습니다.

기본적인 힘

가장 기본적인 힘은 4가지가 있습니다. 전자기력, 중력, 강력, 약력이 있습니다. 이 4가지 힘으로 세상에서 생기는 힘이 설명이 됩니다. 하나씩 알아보죠.

중력

중력은 친숙한 힘이죠? 어느 누구나 어느 물건이나 중력의 영향을 받고 살고 있으며 우주선이 그 많은 연료를 소모해가면서 우주로 나가는 이유도 이 중력을 이겨서 탈출하기 위해서이죠. 중력은 뉴턴의 만유인력 법칙으로 설명이 되며 현대에 와서는 뉴턴의 이론보다 더 나아가 아인슈타인의 일반 상대론으로부터 나온 중력장이론을 사용해 설명합니다. 이 중력은 우주영역에서의 눈으로 관측가능한 거의 모든 현상을 지배한다고 할 수 있으며 이 중력이 매우 커서 생기는 블랙홀도 존재하게 됩니다. 이 중력을 매개하는 입자는 중력자라고 생각이 되어지고 있고 아직 직접적인 검출은 하지 못했습니다. 대신 중력파를 검출했었죠. 검출이 힘든 이유는 현재의 검출기에서의 검출방식은 검출기와 대상의 상호작용으로 결과를 얻어내는 것인데 이러한 방식의 한계가 있을 수 있고 혹은 검출이 되고 있지만 잡음에 묻혀서 알아내지 못하고 있는 것일지도 모릅니다. 하지만 중력파를 통해 간접 증명했듯이 중력을 매개하는 입자가 중력을 부여하는 것으로 생각이 됩니다.
하지만 이 중력은 4가지의 힘 중에 가장 약합니다. 이것보다 강한 힘이 존재하기 때문이죠. 실제로 미시 세계서는 무의미한 힘이 돼버립니다.

강력

강력은 자연계의 4가지 힘 중에 가장 강력한 힘입니다. 하지만 상호작용하는 범위는 아주 짧습니다. 만약 중력처럼 멀리서도 작용하는 힘이었다면 이 세상은 또 달랐겠죠. 우주가 생기지 못했을지도 모르지요. 하지만 이 강력은 핵 안에서 정도의 거리에서만 작용이 됩니다. 이 강력을 매개하는 입자는 글루온이라는 입자로 쿼크들의 결합을 매개하게 됩니다. 이렇게 쿼크들의 결합을 매개하여 양성자와 중성자를 만들어내게 됩니다. 참고로 양성자와 중성자가 결합해 만들어진 핵은 핵력에 의해서 강하게 상호작용을 합니다. 과거 쿼크의 존재를 모를 때는 강력이 곧 핵력으로 생각되었지만 지금은 쿼크의 존재가 알려진 만큼 구별해서 사용합니다.

약력

약력은 이름에서 알 수 있듯이 약한 상호작용입니다. 그럼 약할까요? 아닙니다. 중력보다 강합니다. 이 약력은 W 보존과 Z 보존의 상호작용으로 발생하게 됩니다. 제가 방사선 이야기를 하면서 자주 등장하던 베타 마이너스, 플러스 붕괴가 이 약력으로부터 발생하게 되는 결과입니다. 베터붕괴는 중성자가 전자 하나와 양성자로 바뀌거나 또는 양성자가 에너지를 받아들여 중성자가 되거나 하게 됩니다. 이 베타붕괴를 일으키는 힘이 곧 약력입니다.

전자기력

전자기력은 익숙하실 겁니다. 클롱힘이나, 맥스웰 방정식으로 설명을 해왔던 힘입니다. 일상에서 우리가 보는 TV나 휴대폰 각종 전자기기들이 작동하는 원동력입니다.
또한 기본적으로 물분자를 생각했을 때 각각은 전자기력으로 상호작용을 하죠? 공유결합을 생각하시면 됩니다. 마찬가지로 우리몸의 세포들이 모여있게 된것도 이 전자기력에 의한 힘이라 할 수 있습니다. 그럼 여기서 생각 되는 것이 중력보다 전자기력이 크다고 했는데 만약 작다면? 어떻게 될까요… 저희는 없을지도 모릅니다.
어쨌든, 이 전자기력은 광자에 의해 힘을 부여받습니다. 이 광자는 질량이 없습니다. 그렇기 때문에 장거리에서도 상호작용이 가능합니다.

이 4가지 힘은 각각이 매우 중요하며 우리의 세상을 지배합니다.
그래서 물리학과에서는 각각의 힘에 대해서 중력은 고전역학을 통해, 전자기력은 전자기학을 통해서 그리고 강력과 약력은 양자역학, 핵물리, 입자 물리에서 다루게 됩니다.

그만큼 4가지 힘을 아는 것이 중요한 것이죠. 다음 시간에는 마지막으로 힉스입자에 대해서 조금 소개해볼까 합니다. 

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오늘은 세상을 이루는 물질에 대한 탐구의 역사에 대해서 소개해볼까 합니다. 여러분들은 입자라 하면 가장 먼저 뭐가 떠 오르시나요? 전 과학에 대해 배우기 전에는 모래 알갱이 같은 이미지를 떠올렸답니다. 여러분들은 어떻게 떠오르시나요? 이러한 상상을 고대시대부터 옛 선조들은 해왔습니다. 이 세상을 구성하는 기본 구성 입자는 무엇일까? 이러한 탐구는 고대 탈레스 시대부터 사람들은 생각하며 논의해왔습니다.

그중에 아리스토텔레스는 물질의 근원은 불, 공기, 물, 흙으로 이루어진다고 생각했습니다. 그리고 나아가 우주에는 가장 완전하며 순수한 5원소가 존재할 것이라고 생각했죠. 어떻게 보면 정말 눈으로 볼 수 있는 현상을 정밀하게 분석한 결과가 아닐까 생각합니다. 그 당시 제가 아리스토텔레스 앞에서 이 이야기를 듣고 있었다면 설득당하고 말았을 것입니다…

하지만 이것은 세상을 이루는 기본 입자는 아니었지요. 이러한 고민은 한참이 지나 지금의 원자론에 가까운 이론에 도달합니다. 1800년대에 돌턴은 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙에 의해 세상의 기본 입자는 더 이상 쪼개질 수 없는 원자로 존재할 것이라고 주장하였습니다. 이 원자는 현재의 모델의 시초라고 볼 수 있습니다.

하지만 이 이론은 톰슨에 의해 깨지게 됩니다. 톰슨은 음극선 실험을 하다가 전자를 발견했기 때문이죠. 톰슨은 이 전자가 원자에서부터 왔다고 생각했고 중성인 원자가 전자를 가지기 위해서는 원자 안에 ‘빵안에 박힌 건포도처럼’ 전자들이 있어야 한다고 생각했습니다. 이렇게 이론은 한 단계 발전합니다.

하지만 이 이론도 틀렸습니다. 러더퍼드는 알파선을 금박에 쏘는 실험을 했었는데 이 실험 중 놀라운 결과가 생겼습니다. 이 당시 러더퍼드는 대포알을 화장지 조각에 발사했는데 튕겨 나왔다라는 식으로 말했다고 합니다. 왜냐하면, 알파선은 자기보다 훨씬 작은 전자와 부딪힌다면 직진하거나 산란을 하더라도 아주 약간만 할 것이라고 생각하였기 때문이죠. 하지만 실험결과 아주 크게 산란하는 알파선이 생겼습니다.

이때 러더퍼드는 생각했습니다. 아! 원자는 중심에 핵이라는 존재가 있고 전자가 그 주변을 돌고 있구나! 라고 말이죠. 이렇게 러더퍼드 모델이 탄생하게 됩니다.

하지만 이 이론 또한 틀렸습니다. 이 당시 전자기학에 대한 이해도가 있던 시절인데 중심에 핵이 있고 전자가 그 주위를 원운동을 하며 돌고 있다는 러더퍼드 모델에는 큰 모순이 있었기 때문입니다. 바로 전자가 움직이게 되면 전자기파로 에너지를 방출한다는 점이었죠. 전자가 움직이면서 전자기파를 방출하면 자신은 점차 에너지를 잃게 되고 그럼 원운동을 유지를 할 수 없으며 원자핵으로 떨어져 버릴 것이라는 것이었죠. 러더퍼드는 이 문제에 대해서 해결하지 못합니다.

대신 보어는 이 문제를 해결할 수 있는 원자 모델을 제시합니다. 이 모델은 양자역학을 적용한 모델입니다. 원자 주변에 에너지 레벨이라는 불연속 층이 있고 이 에너지 레벨에 전자는 갇혀있으며 이 궤도에서는 안전하게 에너지 방출 없이 운동을 한다는 것이지요. 거의 다 왔습니다. 원자 모델이 거의 다 완성이 되었군요. 사실 이 모델로도 현대의 거의 모든 현상을 설명할 수 있습니다.

하지만 양자역학에서 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면 위치와 운동량 두 가지를 우리는 한번에 결정지을 수 없습니다.

관측이라는 행위를 할 때 정해집니다. 말이 어렵습니다만 뚜껑 열어보기 전에 모른다는 말이 있죠? 바로 딱 그 말입니다. 예를 들자면 자 어제 우리는 된장찌개와 김치찌개를 점심 저녁때 각각 먹고 남겼습니다. 하지만 우린 어디 뚝배기에 끓였는지 모릅니다. 자 한 개의 뚝배기를 들고 옵니다. 여러분은 뚜껑을 열기 전에 무슨 찌개인지 모릅니다. 된장찌개일까요? 김치찌개일까요? 1/2의 확률이죠. 뚜껑을 열어보기 전에는 알 수 없죠. 이러한 방식으로의 설명을 양자역학에서는 이용합니다. 전자의 궤도와 운동량의 상태들은 확률로써 존재합니다. 이를 양자 중첩이라는 말로 표현합니다. 즉 상태가 중첩이 되어있다는 말이죠. 그래서 하고 싶은 말은 전자의 궤도가 불연속적으로 나눠져 있고 이를 설명하려고 하지만 실제 전자가 정확히 어디 궤도에 있다고 우리는 말할 수 없습니다. 우리가 관측이라는 행위 사용이라는 행위를 하면서 그 전자는 그 위치에서 관측이 되기 때문이죠. 그래서 이러한 현상을 적용하기 위해 전자는 구름의 형태로 있다고 설명합니다. 이게 현대에서 설명하는 원자 모델입니다.

그럼 세상을 이루는 가장 기본입자로 원자는 전자와 핵으로 이루어진 이 상태가 진짜로 끝일까요? 아직 가야 할 길이 있습니다. 돌턴은 원자가 더 이상 쪼개어질 수 없는 상태라고 하였지만 실제 원자는 쪼개어집니다. 원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있기 때문이죠. 그리고 이 양성자와 중성자는 글루온이라는 입자가 힘을 매개하게 됩니다. 그럼 이게 마지막 상태일까요? 이번에도 아닙니다. 양성자는 업쿼크 두 개와 한 개의 다운쿼크로 이루어 집니다. 중성자는 두 개의 다운쿼크 한 개의 업쿼크로 이루어지죠. 쿼크까지 왔군요. 이 입자가 세상을 이루는 가장 작은 입자입니다. 이번이 정말 마지막이죠. 아직까지는 말이죠. 

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오늘은 표준에 관해서 이야기해 보겠습니다. 일상생활에서 사용하는 단위가 어떠한 게 있죠? 시속이 얼마다 할 때 km/h 라던가 땅이 ~평이다 라던가 이러한 단위들이 사용됩니다. 하지만 미국에 가게 되면 야드나 파운드 이러한 단위들을 사용합니다. 나라마다 단위의 사용에 차이가 있는 것이지요. 이러한 이유로 국제적으로 단위를 표준화합니다. 이를 SI 단위라고 합니다. 그래서 이 단위에 관해서 이야기를 풀어보겠습니다. ㅎㅎ

단위의 사용

단위는 어떻게 사용이 되었을까요? 아주 옛날 사람들은 단위의 개념이 없었겠죠. 하지만 역사적으로 보았을 때 단위의 사용은 문명의 발생과 아주 관련이 높습니다. 계급이 존재하지 않고 농경이라는 것을 하지 않을 때는 필요가 없었지만, 문명이 발생하여 계급이 생기고 농경사회가 시작되면서 농경지를 구획할 때 사람들은 자신들의 것을 정확히 구분하기 위해 표준이 될 수 있는 단위를 사용하게 됩니다. 또한 서로 생산한 것을 교환하기 위해서는 가치를 판단할 기준도 필요했습니다. 이렇게 단위를 사용하게 됩니다.

단위 표준화의 중요성

이렇게 각각의 나라들은 자기들만의 단위를 개발하게 됩니다. 가장 처음 사용한 단위들은 길이, 부피 등을 재는 도량형에서 시작하였지만 시간이 흘러 여러 단위들이 나오게 됩니다. 하지만 산업화가 되고 현재와 같은 세계화의 시점에서는 단위 표준화는 매우 중요한 문제 중에 하나입니다. 두가지 예를 살펴보겠습니다.

-김리 글라이더 사건-

1983년 7월 22일 엔진이 모두 꺼진 상태로 비행기 하나가 비상착륙을 합니다. 이 비행기는 갑자기 연료가 떨어져서 비상착륙을 했다고 합니다. 연료가 새버린 걸까요? 정답은 아닙니다. 이 비행기는 최초로 파운드법이 아닌 미터법을 사용하여 제작한 비행기라고 합니다. 하지만 미터법으로 계산해서 넣어달라고 한 연료를 잘 못 해서 숫자만 보고 그 숫자만큼의 파운드로 넣었다고 합니다. 그래서 비행중 원래 연료양보다 부족하여 엔진이 꺼지는 상황이 발생했고 비상착륙을 하게 되었다고 합니다.

-화성 기후 궤도선-

약 1300억 원의 돈을 들여 만든 화성의 계절, 기후, 물과 이산화탄소의 존재, 기후 변화 등을 연구하기 위해 제작하여 우주로 보냅니다. 하지만 비행 중 궤도 진입을 위해 정보를 송신하였는데 네비게이션이 오작동을 일으키고 원래 예상 궤도로 진입을 못 하고 화성대기로 인해 공기 저항으로 파괴가 되어버립니다. 이유는 록히드 마틴사가 로켓 분사에 필요한 충 운동량 변화를 파운드 단위로 계산하여 보냈고 NASA 측은 미터법으로 제작한 로켓에 이 숫자를 그대로 집어넣은 것입니다. 아주 작은 실수였습니다. 한 가지 단위변환을 안 한 것이지요. 이 하나의 실수로 우주선은 사라지게 됩니다.

표준화 단위

국제적으로 여러 나라가 사용하는 단위를 국제단위로 인정하고 사용하는데 여기에는 7가지의 SI단위가 있습니다.
길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 몰질량, 광도가 해당합니다. 각각의 단위는 어떠한 값으로 표준이 되어 있는지 한 번 보겠습니다.

-길이 : 미터(m) : 1m는 빛이 진공에서 1/299.792,458초 동안 진행한 경로의 길이

-질량 : 킬로그램(kg) : 국제 킬로그램 윈기를 사용(1kg 모델이 제작되어 있고 이를 표준으로 정함)

-시간 : 초(s) : 1초는 온도가 0K인 세슘-133 원자의 바닥 상태에 있는 두 초미세 준위 사이의 전이에 대흥하는 복사선의 9,192,631,770주기의 지속 시간

-전류 : 암페어(A) : 1A는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1미터의 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 미터당 2×10-7 뉴턴의 힘을 생기게 하는 일정한 전류

-온도 : 켈빈(K) : 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16

-몰질량 : 몰(mol) :1몰은 바닥 상태에 정지하여 있고 속박되어 있지 않은 탄소-12의 0.012kg에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성요소를 포함한 어떤 계의 몰질량(c-12를 기준으로 한다)

-광도 : 칸델라(cd) :1 칸델라는 540×1012 헤르츠인 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 어떤 주어진 방향으로 스테라디안당 1/683와트일 때 이 방향에 대한 광도

이 표준 단위들로부터 유도단위를 구해 주파수, 힘, 에너지, 전하량, 섭씨, 화씨 등이 나오게 됩니다. 그래서 가장 기본 단위들이라고 생각하시면 됩니다.

오늘은 단위의 중요성과 가장 기본이고 표준인 SI 단위가 어떠한 값으로 정해져 있는지 간단히 소개하였습니다.

-이미지 출처-

1. https://www.alcohol.org.nz/help-advice/standard-drinks
2. https://standard.go.kr/KSCI/portalindex.do
3. https://www.hotelschoolmaastricht.nl/
4. http://www.cbc.ca/news/canada/manitoba/gimli-glider-not-sold-at-ontario-auction-1.1394807
5. https://www.jpl.nasa.gov
6. http://scienceon.hani.co.kr/61981
7. https://www.bipm.org/en/measurement-units/rev-si/
8. http://www.kriss.re.kr/introduce/view.do?pg=vision_strategy

오늘은 미지의 영역에 대해서 소개해볼까 합니다.
암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)라는 말을 들어보셨나요? 

왜 암흑이라는 말이 붙었을까요? 한 번 같이 알아봅시다!

암흑물질?

우주의 일반 물질들은 우주의 4%를 암흑물질은 22%를 차지하고 암흑에너지는 74%를 차지합니다. 즉, 이 말은 현재 우리가 알고 있는 물질이 4%라는 것입니다. 그런 면에서 암흑물질이란 것은 모르는 물질입니다. 빛, 즉 전자기파를 흡수하지도 방출하지도 반사하지도 않는 스텔스기 같은 유령의 존재라는 것입니다.

그렇다면 어떻게 존재를 확인했을까요?

암흑물질은 중력에 중요한 영향을 미칠 것으로 생각이 됩니다. 은하가 있다고 생각해보면 은하의 중심에 있는 별들은 중력이 매우 강할 것이고 더 빠른 속도로 회전할 것입니다. 반대로 은하로부터 멀리 떨어져 있는 별들은 상대적으로 속도가 느릴 것입니다. 예로 태양계만 봐도 알 수 있죠 수성의 공전 속도는 47.36km/s임에 반해 지구는 29.783km/s 해왕성은 5.43km/s입니다. 멀어질수록 느려지죠. 하지만 은하계의 별들의 속도를 측정했는데 멀어질수록 느려질 것으로 생각된 예상과 달리 속도의 차이가 거의 없이 일정한 것을 발견했습니다. 이 말은 속도와 거리의 관계에서 우리가 볼 수 없었던 중력효과가 있음을 예상할 수 있습니다.
암흑물질이 구름의 형태로 은하계에 존재한다고 생각했습니다. 이 암흑물질이 은하의 구조와 움직임을 결정하게 됩니다.

암흑물질을 관측하는 방법은 없을까요?

직접적으로 보는 것은 불가능합니다. 어떠한 것과도 상호작용하지 않기 때문입니다. 하지만 간접적으로 확인할 수 있습니다. 암흑물질은 은하계에 구형으로 채워져 있다고 합니다. 이 구형의 암흑물질이 렌즈 역할을 합니다. 왜냐하면, 암흑물질은 중력에 영향을 줍니다. 만약 빛이 여길 외곽에서 지난다면 일반 상대성이론에 따라 굴절하게 됩니다. 이렇게 굴절한 빛이 눈에 들어오고 그냥 굴절 없이 직진하여 들어온 빛도 존재합니다. 이렇게 되면 은하는 어떻게 보일까요? 링 모양으로 관측이 됩니다. 이를 아인슈타인 링이라 합니다. 실제 2007년 허블 망원경이 이를 관측합니다.

암흑물질은 중력에 영향을 주는 물질인데 관측을 하지 못해 아직 어떤 물질인지 규명하지 못하였습니다. 이를 찾기 위해 지하 깊숙한 곳에 아주 민감한 감지기를 놓고 탐지를 위해 노력하고 있습니다. 물론 우주에서도 노력을 하고 있습니다.

암흑에너지?

우주 공간에 74%를 차지하고 있다는 암흑에너지는 무엇일까요?
현재 우주론에서 예상하고 있는 우주론을 아시나요? 바로 빅뱅이론입니다. 137억 년 전 빅뱅이 일어나고 우주는 팽창을 지속하고 있다고 보고 있습니다. 하지만 사람들은 암흑물질 때문에 중력으로써 인력이 작용하여 우주의 팽창을 늦추지 않을까 생각하였습니다. 아주 빠르게 달리던 차에 암흑물질이라는 브레이크를 걸어 결국에는 멈추거나 다시 수축하지 않을까 생각하였습니다. 하지만 수십억 년 전과 현재의 우주팽창속도를 관측과 수학적 계산을 통해 예상이 틀렸음을 알게 됩니다. 즉, 우주의 팽창속도는 더 빨라진 것입니다. 여기서 나오는 개념이 암흑에너지입니다. 이 암흑에너지는 우주 공간에 널리 퍼져 있고 척력이 작용합니다. 그렇기에 우주의 팽창을 가속시키는 에너지입니다.

우리가 알고 있다고 생각하는 부분은 현재 만물의 4%입니다. 그중 22%는 간접적인 관측을 통해 존재를 생각하고 있으나 어떤 물질인지 아직 못 찾았고 나머지 74%는 아직 미스터리한 부분이 많습니다. 현재 지구를 살아가는 사람으로서 최첨단 IT 시대, 로봇공학, 나노과학 등 첨단 과학으로 수많은 부분이 상당히 발전해왔다고 생각합니다. 그래서 이러한 존재들을 모를 때는 저는 더 이상 발전할 것이 있겠는가? 라는 의문이 들어왔습니다. 하지만 아직 설명되지 않은 부분이 너무 많고 앞으로 이러한 것을 규명하면서 동시에 인류의 발전 또한 끝이 없지 않을까 라는 생각이 듭니다.

-이미지 출처-

1. http://www.blurryphotos.org/episode-96-dark-matter/
2. http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_accelerating.html
3. http://jjy0501.blogspot.kr/2014/09/Young-Galaxy-DDO68.html
4. http://www.cfhtlens.org/public/what-gravitational-lensing
5. wikipedia
6. http://www.sciencemag.org/news/2017/04/dark-energy-illusion
7. https://pngtree.com/freebackground/sci-fi-computer-tech-background_327794.html

오늘은 우주선(cosmic ray)에 관해서 이야기를 해보려고 합니다.

-갈릴레오 갈릴레이-

과거에 하늘에 떠 있는 달 별들을 보기 위해 육안으로 관찰을 했었죠. 그러다가 1608년 한스 리퍼세이에 의해 처음 굴절 망원경이 발명되었고 그 이후에 반사 망원경이 개발되었죠. 그 후에 전자기파 관측을 위해 1931년에는 칼 잰스키에 의해 전파망원경이 개발되었습니다. 이렇게 사람들은 우주의 비밀을 풀기 위해 망원경을 개발했고 그동안 수많은 의문점을 해결했습니다. 한가지 예로 갈릴레오 갈릴레이나 케플러가 지구가 둥글다는 말을 했을 때 이러한 망원경이 없었다면 주장할 근거를 찾기 어려웠을 겁니다.

하지만 이렇게 관측하는 것은 한계가 있습니다. 이제 우리가 알고자 하는 것은 더욱더 멀리 있는 우주의 일입니다. 현재의 우리의 힘으로 갈 수도 없는 곳에서 일어나는 일을 규명하고 싶어합니다. 그래서 이를 알아내기 위해 우리는 지구를 이용하게 됩니다.

지구는 두꺼운 공기층으로 되어있습니다. 우주선(cosmic ray)이 여기를 지나면서 반응을 하게 되고 여기서 발생하는 입자를 검출하여 역으로 들어온 우주선의 에너지를 예측하는 것입니다.

-2차 입자 생성-

우선 우주선(cosmic ray)은 95% 정도가 양성자 4% 정도가 헬륨인 알파선입니다. 이를 1차 입자라 하고 반응을 하게 되면 핵력을 매개하는 파이온 중간자가 발생하며 또 파이온으로부터 감마선, 전자, 뉴트리노가 발생합니다. 이를 2차 입자라 합니다. 그런데 이렇게 1차에서 2차로 반응하여 변하는 것이 꼭 샤워기에서 물 틀면 나오는 것처럼 연쇄반응으로 퍼져 나가기 때문에 에어샤워라고 합니다.
결론적으로 이 에어샤워로 나온 2차 입자를 검출하게 됩니다. 검출된 입자를 처음 들어온 우주선일때의 에너지를 역추적해서 알 수 있고 어디서 날라오는 것인지 추측할 수 있습니다.

-에너지당 들어오는 우주선속-

이 우주선(cosmic ray) 중에서 아주 높은 에너지도 있습니다. 유럽 입자 물리 연구소에서 지은 CERN이 13TeV정도 라고 하는데 가장 높은 에너지의 가속기입니다. 이보다 높은 에너지가 우주에서 옵니다. 테라는 1012 이고 1015, 1020의 에너지를 가진 입자도 들어옵니다. 이를 검출함으로써 이 에너지가 어디서 왔으며 어떻게 발생했을지를 알 수 있게 해줄지도 모릅니다. 하지만 문제점이 하나 있습니다. 이런 초고에너지의 우주선의 경우는 지구 도달 확률이 매우 낮습니다. 1016eV에너지의 입자인 경우는 1m2의 면적에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 그리고 1018인 경우는 1km2에 1년에 하나 들어온다고 합니다. 이렇게 관측하기 힘들기 때문에 관측기의 면적은 거대해지고 있습니다.
이렇게 엄청난 에너지를 만들어내는 근원은 무엇일까요? 현재 기술로 만든 CERN도 비교적 매우작은 13TeV인데… 바로 은하 간 충돌이나 블랙홀을 가진 은하들에서 나오게 됩니다. 이를 통해 우주의 신비를 푸는 실마리를 제공해주고 있습니다.
언젠가는 우주의 비밀을 푸는 날이 기대하며… 다음에는 기회가 되면 암흑물질에 대해서도 소개해볼까 합니다.

-출처-

1. 
2. https://medium.com
3. http://www.conniemah.com
4. http://physicsopenlab.org/2016/01/02/cosmic-rays-coincidence/
5. http://personal.psu.edu/nnp/cr.html
   6.http://astronomy.nmsu.edu/tharriso/ast536/ast536week10.html

핵분열과 핵융합의 차이를 명확히 아시나요? 뭔가 핵분열은 나눠지는거고 핵융합은 합쳐지는 느낌입니다. 네, 말 그대로 나눠지고 합치게 되는 것입니다. 그럼 조금 더 자세히 설명해볼게요!!

핵분열이란?

핵분열은 방사능처럼 붕괴하는 것과는 조금 다름니다. 핵분열도 붕괴이긴 하지만 알파선, 감마선 같은 방사선만 내는 것이 아니라 조금 큰 물질로 나눠집니다. 우라늄-235의 경우 질량수가 235인데 분열하게 된다면 그의 반인 110~120 근처의 핵분열 생성물 두 개로 나누어집니다. 이때 엄청난 에너지가 발생합니다.

여기서 에너지가 발생하는 이유는 다들 한 번쯤은 들어보았을 E=mc2 입니다. 이 식의 의미는 질량은 곧 에너지다 입니다. 그러니까 가만히 있으면 에너지가 0이라고 보았던 고전물리와 달리 정지질량을 가지고 있다는 말을 가집니다. 그런데 왜 큰 에너지가 발생하느냐 하면 광속의 제곱이 곱해져 있습니다. 광속은 30만km/s입니다. 이 제곱이 곱해져있다는 것은 정지질량 즉, 정지했을때도 가지고 있는 에너지가 엄청큽니다. 이런상태에서 핵이 붕괴를 하게되면 질량결손이 일어납니다. 그러니까 두 개로 나눠지면서 딱 일정하게 서로 나눈 것이 아니라 손실되어 중성자와 방사선을 동반하며 손실한 질량 만큼에 광속의 제곱을 한만큼의 에너지를 발산합니다. 이때 나오는 에너지로 물을 끓여 증기 발전을 하는 것이 핵분열 발전소라 할 수 있겠습니다. 실제 우라늄-235는 핵분열하면서 200MeV의 에너지를 낸다고 합니다. MeV가 백만볼트이니까 대략 2억볼트의 전압으로 전자를 가속시키는 힘과 같은 힘이 나온다고 생각하시면 됩니다.

핵융합이란?

핵융합은 핵분열과 반대로 두 개를 합치는 것이라고 했습니다. 원리는 비슷합니다. 두 개의 핵이 하나의 핵으로 합쳐지면 이때 또한 질량결손이 발생합니다. 즉, 1+1을 했는데 2가 조금 안 된다는 것입니다. 이 ∆만큼의 에너지가 발생하게 되고 이를 에너지원으로 사용합니다. 하지만 핵융합은 핵분열보다 까다롭습니다. 핵분열의 경우는 무거운 핵에 중성자를 넣어 불안정하게 만들어 붕괴를 시키기 때문에 비교적 붕괴환경을 만들기 쉽습니다. 하지만 핵융합의 경우는 각각의 핵들은 클롱 척력으로 밀어내고 있기 때문에 이를 넘어갈 만한 힘을 주어야 합니다. 그래서 고온으로 만들기 위해 플라즈마라는 기체를 넘어 이온화된 기체인 상태로 융합을 시킵니다. 보통 수소를 이용해서 헬륨이 되면서 나오는 에너지를 이용하기 위해 시도하고 있습니다. 대표적으로 중수소와 삼중수소의 융합당 에너지는 그림과 같습니다.

핵융합의 장점은 붕괴하면서 나오는 게 아니기 때문에 방사선을 동반하지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 고에너지의 전자들이 존재하기 때문에 x선인 제동복사도 발생을 한다고는 합니다. 물론 핵분열에 비교하면 비교가 안될 만큼 작은 양이겠죠

그렇다면 핵융합을 현재 사용하지 못하고 있는 이유는?

얼마 전 북한이 성공했다고 주장하는 수소폭탄이 핵융합과 핵분열이 같이 사용된 원리입니다.

우라늄-235로 핵분열을 기폭 시켜서 고온의 플라즈마 상태를 만들고 이 상태에서 순간적으로 핵융합을 시켜 엄청난 폭발력을 얻어내는 것이지요.
이렇게 폭탄에는 적용을 했는데 왜 발전에는 못 쓰이고 있을까요? 핵융합은 현재도 연구 진행 중인데 발전을 위해서는 하루 24시간 발전이 될 가능성이 있어야 합니다. 그런데 현재는 17년 7월 6일 자 기사를 보니 중국이 101.2초동안 시운전했다고 합니다. 아직 시작단계라고 볼 수 있습니다.
꿈의 발전 기술이지만 아직은 갈 길이 많이 남은 것 같습니다!!

정리
핵분열은 붕괴시 생기는 질량결손으로 에너지를 얻는다
핵융합은 융합시 생기는 질량결손으로 에너지를 얻는다.
두개의 원리는 E=mc2이다.
발전을 위해서는 지속적인 연쇄반응이 필요하다.
현재 핵분열은 가능하고 핵융합은 불가능하다.

-출처-
1.https://www.redbubble.com/people/sxediostudio/works/17541583-e-mc2?p=pouch

1. https://www.123rf.com/stock-photo/nuclear_fission.html
2. http://www.istockphoto.com
3. https://inhabitat.com/tag/nuclear-power-plant/
4. http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4473908/Trouble-Lockheed-s-fusion-reactor.html
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power
6. http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1115501&cid=40942&categoryId=32429