원자의 역사

안녕하세요. 

천문학과 물리학 이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽으며 내용을 포스팅 하고 있습니다.  원제목은 "The illustrated a brief history of time" 입니다.

오늘은 원자의 역사에 대해서 알아보겠습니다. 

아리스토텔레스가 믿었던 물질

아리스토텔레스는 우주 속의 모든 물질들이 흙, 공기, 불, 물의 4가지 원소로 이루어져 있다고 믿었습니다. 

물질은 작은 조각으로 계속해서 나눌 수 있으며 더 이상 나눌 수 없는 물질은 없다고 생각했습니다. 

만물은 여러가지 종류의 많은 원자들로 이루어져 있다고 주장한 것이지요.  

영국의 존 달턴

탈턴은 1803년에 화합물이 항상 일정한 비율로 결합되어 있으며 분자들을 이루기 위해 원자들이 서로 무리짓어 있음을 밝혀 냈습니다.  

아인슈타인의 브라운 운동(Brownian motion)

1905년 아인슈타인은 특수상대성이론이 발표되기 수주일 전에 논문을 발표해서 브라운 운동에 대해 언급했습니다. 

이는 액체 속을 부유하는 먼지 입자의 불규칙하고 임의적인 운동을 일컫습니다. 이는 액체의 원자들이 먼저 입자와 출동하기 때문에 나타나는 것으로 설명했습니다. 

톰슨의 전자 

이 무렵 케임브리지 대학 트리니티 칼리지의 연구원인 톰슨은 원바의 1/1000 보다도 작은 전자라는 물질의 입자가 존재한다는 것을 입증했습니다. 

금속 필라멘트가 전자를 방출할때 전자가 음전하를 나타내기 때문에 전기장을 이용해 전자들을 가속시키는 실험을 했습니다. 

결국 전자들은 스크린에 충돌하면 빛이 발생했고 이 전자들은 원자에서 나온 것이 밝혀진 것이지요. 

러더퍼드의 원자의 존재 입증 

1911년 영국의 물리학자인 러더퍼드는 물질을 구성하고 있는 원자가 내부 구조를 가진다는 것을 입증했습니다.  

원자는 양전하를 나타내는 매우 작은 원자핵와 그 주위를 도는 많은 수의 전자로 이루어져 있음을 밝혀낸 것이지요. 

방사성 원자에서 방출된 알파 입자들이 원자와 충돌하면서 그 방향이 빗겨나는 방식을 분석했습니다.  

머리 겔-만의 쿼크( quark )  

이전에는 양성자와 중성자가 기본입자라고 생각되어졌습니다. 

하지만 양성자를 다른 양성자나 전자와 충돌시킴으로써 양성자도 더 작은 입자로 구성되어 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 

그리고 캘리포니아 공대의 물리학자 머리 겔-만은 이를 쿼크라고 이름 붙혔습니다.  그리고 그 공로로 1969년에 노벨 상을 수상하였습니다. 

쿼크에는 여러가지 종류가 있습니다. 업, 다운, 스트레인지, 참, 보톰, 톰의 여섯 가지 향이 그것입니다. 

이중에서 참 쿼크는 1974년에 밝혀졌고,  톱 쿼크는 최근인 1995년에야 발견되었습니다. 

쿼크는 가시광선의 파장보다도 작기 때문에 어떤 색도 나타내지 않습니다. 

양자역학은 모든 입자가 실제로는 파동이며, 어떤 입자의 에너지가 높아지면 그에 상응하는 파장은 더 작아진다고 설명합니다. 

따라서 입자의 에너지가 높아질수록 파장이 작아짐으로 우리가 볼 수 있는 크기는 줄어들게 됩니다. 

입자 에너지는 전자볼트( eV : electron volt )라는 단위로 측정되어 진다.  전자 한 개가 1볼트의 전기장에서 얻을 수 있는 에너지가 1 전자볼드입니다. 

알파 입자는 수백만 전자볼트의 에너지를 가졌습니다. 최근에는 수십업 전자볼트의 입자 에너지를 걸 수 있는 전자기장을 사용하는 방법이 고안되었습니다. 

그 결과 우리가 좀 더 높은 에너지를 사용할수록 좀 더 작은 입자들을 발견하게 될 것입니다.   

파울리의 배타원리( Pauli's exclusion principle )

파울리의 배타원리란 두 개의 비슷한 입자가 같은 상태에 있을 수 없다는 것입니다. 

두 입자는 불확정성 원리에 의해 같은 위치와 같은 속도를 가질 수 없습니다. 이 원리는 물질입자들이 스핀 0,1,2의 입자들에 의해서 생성되는 힘 아래에서 고밀도의 상태로 붕괴하지 않는 이유를 설명해 준다는 점에서 중요합니다. 

파울리는 이 발견으로 1945년에 노벨상을 받은 이론 물리학자입니다. 

만약 세상이 파울리의 배타원리 없이 창조되었다면 쿼크들은 정확하게 정의된 양성자와 중성자를 생성하지 않았을 것입니다.