핵물리학: 두 판 사이의 차이
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}}</ref> 톰슨에 의한 전자의 발견은 원자가 내부 구조를 가진다는 것을 의미했다. 20세기의 전환점에서 채택된 원자의 모형은 톰슨의 원자 모형이었다. 그 원자는 양전하를 띄며 음전하를 가진 전자를 포함한다. 전환점에서 물리학자들은 또한 원자로부터 발산하는 세 종류의 방사선을 발견해냈다. 그것들은 각각 알파선, 베타선, 감마선으로 명명되었다. 오토 한의 1911년 실험과 1914년에 제임스 채드윅 에 의해서 베타 붕괴 스펙트럼이 분리 되지 않고 연속적이라는 사실을 발견해냈다. 즉 감마선과 알파선 붕괴에서 관측되는 분리된 에너지로 보다는 전자는 원자로부터 특정한 범위의 에너지로 방출된다. 이 사실은 에너지 보존 법칙이 성립하지 않았기 때문에 그 당시 핵 물리학계에서 문제였다.
1905년에 아인슈타인은 질량 에너지 등가성을 공식화시켰다. 베크렐와 마리 퀴리에 의한 방사선 연구가 먼저 있었지만 방사선 에너지의 원천에 대한 설명은 핵 자신이 더 작은 구성요소인 핵자로 구성되어있다는 발견을 기다려야만 했다.
=== 러더포드의 팀의 핵 발견 ===
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1935년 [[유카와 히데키]]는 핵이 서로를 어떻게 끌어당기는지 설명하기 위해 처음으로 [[강한 상호작용]]에 관한 중요한 이론을 제안했다. 유카와 상호 작용에서, 나중에 중간자라고 불린 가상의 입자는 중성자와 양성자를 포함하는 모든 핵자 사이에서 힘을 중개한다. 이 힘이 왜 핵들이 양성자의 전기적 반발에 의해 분리되지 않는지를 설명한다. 그리고 또한 왜 양성자간에서 강한 상호작용력이 전자기 상호작용력보다 더 제한된 범위를 가지는 것을 설명 해준다. 나중에 중간자 중의 하나인 [[파이온]]의 발견이 유카와의 입자의 성질을 가진다는 것을 보여줬다.
유카와의 논문에서, 원자의 현대 모델은 완벽했다. 원자의 중심에는 강력에 의해 묶인 [[중성자]]와 [[양성자]]의 단단한 구체가 있다. 너무 크거나 양성자와 중성자의 갯수의 비가 불안정 하다면 핵은 붕괴하려 한다. 불안정한 핵은 3가지의 붕괴방법 사용하여 안정된 상태로 이동한다. 양성자2개와 중성자2개의 짝인 헬륨원자핵을 방출하는 [[알파 붕괴]]를 하거나, 또는 핵에 있는 양성자를 중성자로 전환 하거나 중성자를 양성자로 전환하는[[베타 붕괴]]를 한다. 또한 특정 핵종들의 경우 입자선을 배출하는 경우가 아닌 [[감마선]]을 방출하여 안정된 상태로 가려하는 [[감마 붕괴]] 현상이 나타난다.
강한 상호작용과 [[약한 상호작용]]의 이해를 위한 연구에서 물리학자들은 핵과 전자를 아주 높은 에너지에서 충돌시켰다. 이 연구는 약력, 강력, 전자기력을 설명하는 표준 모형의 크라운 쥬웰인 소립자 물리학이 되었다.
== 현대 핵물리학 ==
중핵자는 수백 개의 핵자를 가질 수 있다. 추측해보면, 양자 역학 보단 뉴턴 역학으로써 간주 될 수 있다. 물방울 모형에서, 핵은 표면 장력과 양성자의 전기적 반발으로 부터 부분적으로 증가하는 에너지를 가지고 있다. 물방울 모형은 핵 분열의 현상뿐만 아니라 질량수와 관련된 일반적인 결합 에너지의 경향을 포함하여 핵의 여러 특징들을 설명할 수 있다.
그러나 양자 역학 효과는 이 고전적인 그림에 중첩 되어 있다. 그것은 마리아 메이어의 큰 부분이 발달된 핵 껍질 모델을 사용함으로써 설명되었다. 중성자와 양성자의 특정한 숫자를 가진 핵은 그들의 껍질이 채워져 있기 때문에 특히 더 안정하다.
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다른 더 정교한 핵 모델도 제안되었다. 예를 들면, 전자의 쿠퍼 쌍과 유사하게 중성자와 양성자의 쌍이 보손처럼 상호작용 한다는 상호 작용 보존 모델이 있다.
핵 물리학에서 현재 연구의 많은 부분은 극한 상황에서의 핵의 연구와 관련이 있다. 예를 들면 들뜸 에너지와 높은 회전이 있다. 핵은 또한 럭비 공과 비슷한 극단적인 모양과 중성자-양성자 비율을 가질 수 있다. 연구자들은 이온 빔을 입자 가속기에서 사용하여 인공적으로 유도된 분열 또는 핵자 변환 반응으로 그러한 핵을 만들어 낼 수 있다 .
훨씬 더 높은 에너지를 가진 빔은 아주 높은 온도에서 핵을 만드는데 사용될 수 있다. 그리고 이 실험이 보통의 핵 물질로부터 상전이와 새로운 상태인 쿼크-글루온 플라즈마 상태를 만들었다는 증거가 있다. 거기서 쿼크들은 중성자와 양성자에 있는 것처럼 세 개로 분리되는 것 보다는 다른 것과 섞이게 된다.
=== 핵 붕괴 ===
80개의 원소는 절대로 붕괴한다고 관측되지 않는 적어도 하나의 안정한 동위원소를 가지고 있다. 그 수는 전체 약 254개이다. 하지만 수 천 개의 동위원소들은 불안정한 특징을 가지고 있다. 이 방사성 동위원소는 수천분의 1초에서 몇 주, 몇 년, 수 백 만년 혹은 수 억 년에 걸쳐 붕괴된다.
핵의 안정성은 그것이 중성자와 양성자 비율이 특정한 비율에 있을 때 가장 안정하다. 너무 적거나 너무 많은 중성자는 오히려 원자를 붕괴시킬 수 있다. 예를 들어 베타 붕괴에서 질소16N 원자 (7개의 양성자와 9개의 중성자)는 생성된지 수 초만에 산소16N으로 바뀐다. (8중성자와 8양성자). 이 붕괴에서 질소 핵 안에 있는 중성자는 양성자, 전자와 반중성미자로 약한 상호작용에 의해 전환된다. 원소는 새로 생성된 양성자를 얻음으로써 다른 원소로 변형된다.
알파 붕괴에서 방사성 원소는 헬륨 원자핵(2양성자와 2중성자)를 방출함으로써 붕괴한다. 많은 경우에 이 과정은 다른 타입의 붕괴를 포함하여 안정한 원소가 생성 될 때까지 이러한 종류의 몇몇의 과정을 거쳐서 진행된다.
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=== 핵 분열 ===
핵분열은 핵융합 과정의 반대이다. 핵이 니켈62N보다 무겁다면 핵자 당 결합 에너지는 질량수가 올라감에 따라 감소한다. 그리하여 무거운 핵이 두 개의 더 가벼운 것들로 분열 될 때 에너지가 방출되는 것이 가능하다.
알파 붕괴의 과정은 본질적으로 자발적인 핵분열의 특별한 경우이다. 이 분열 과정은 아주 불균형하다. 왜냐하면 알파 입자를 구성하는 네 개의 입자는 특히 서로에 속박되어 있기 때문에 핵 분열중인 이 핵의 생산 확률을 높게 만든다. 분열 과정 중에 중성자를 생산하며 핵분열을 시작하기 위해서 쉽게 중성자를 흡수하는 특정한 가장 무거운 핵들에서는 스스로 불을 붙이는 중성자 시작 분열이 일어난다. 이는 소위 [[연쇄 반응]]이라고 불린다. 연쇄 반응은 물리에서 보다 화학에서 먼저 알려졌다. 그리고 사실 우리에게 많은 친근한 과정들인 불과 화학 폭발등은 화학적 연쇄 반응이다. 분열에서 생성된 중성자를 사용하는 핵 연쇄 반응은 핵 발전소와 분열 타입의 핵 폭탄의 에너지의 원천이다. 우라늄과 토륨과 같은 무거운 핵들은 또한 자발적인 분열과정을 겪을 수 있다 그러나 자발적인 분열 과정 보다는 알파 붕괴를 겪을 가능성이 훨씬 더 높다.
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중성자와 양성자가 서로에게 충돌하면서 (리튬, 베릴륨, 그리고 아마 약간의 보론)이 생성되었다. 그러나 모든 “더 무거운 원소” (원소 번호 6이상)은 일련의 융합 과정을 거쳐서 별 내부에서 생성되었다. 예를 들어 양성자-양성자 연쇄반응, CNO 사이클 그리고 triple-alpha process 같은 것에서, 점점 더 무거운 원소들이 별의 진화 과정에서 생성되었다.
핵자 당 결합 에너지가 철 부근에서 최고치를 찍기 때문에 이 지점 아래에서 일어나는 핵 분열 과정에서 에너지가 방출된다. 핵 융합에 의한 더 무거운 핵의 생성이 에너지를 필요로 하기 때문에 자연에서는 중성자 포획 과정이 일어난다. 중성자는 전하의 부족 때문에 쉽게 핵에 의해 흡수될 수 있다. 무거운 원소는 느린 중성자 포획 과정(소위 s 과정이라고 불린다) 또는 빠른 중성자 포획 과정 (r 과정이라고 불린다) 둘중 하나에 의해 생성된다. s 과정은 덥고 고동치는 항성에서 일어난다. (AGB 또는 asymptotic giant branch stars 라고 불림) 그리고 가장 무거운 원소인 납과 비스무트에 도달하는데 까지 수백~ 수 천년이 걸린다. r과정은 초신성 폭발에서 생성된다. 왜냐하면 초신성 폭발에서 높은 온도와 높은 중성자 유입이 있고 방출되는 물질의 상태가 존재하기 때문이다. 이러한 항성의 상태는 연속적인 중성자 포획을 아주 빠르게 만들어준다.
== 참조 ==
{{
== 출판 목록 ==
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}}
*{{서적 인용
| last =Ahmad, D.Sc.
| first =Ishfaq
| authorlink =Ishfaq Ahmad
| coauthors =[[American Institute of Physics]]
| 제목 =Physics of particles and nuclei
| publisher =American Institute of Physics Press
| series =1-3
| volume =27
| edition =3
| year =1996
| location =University of California
| pages =209
| url =
| doi =
| |||