핵물리학(nuclear physics)의 역사

핵물리학(nuclear physics)이란, 원자핵을 연구하는 물리학의 분과입니다. 이름에 ‘핵’이 들어가기 때문에 원자물리학(atomic physics)과 혼동되기도 하지만 다른 분야입니다.

핵물리학의 시작에 대해서는 1911년에 어니스트 러더포드가 “원자는 양전하를 띤 핵과 핵을 둘러싸는 전자로 구성됨을 밝히면서 시작되었다”라고 하기도 하고, 1896년에 앙리 베크렐이 “방사선을 발견하면서 시작되었다”라고 하기도 합니다.

오늘날 핵물리학의 영역은 점점 더 확대되고 있습니다. 핵 자체가 가지고 있는 특성, 핵 속에 존재하는 핵자들 사이의 상호작용, 핵자의 상호작용, 경입자와 중간자, 핵자를 구성하는 쿼크와 글루온의 상호작용 등이 모두 핵물리학의 영역입니다.

*핵물리학의 역사
핵물리학은 원자물리학과 다른 분야입니다. 핵물리학의 역사는 우라늄염에서 인광현상을 연구하던 앙리 베크렐이 1896년 방사선의 발견하면서 시작됩니다. 톰슨에 의한 전자의 발견은 원자가 내부 구조를 가진다는 것을 의미하는데, 20세기의 전환점에서 채택된 원자의 모형은 톰슨의 원자 모형이었습니다. 그 원자는 양전하를 띄며 음전하를 가진 전자를 포함합니다. 전환점에서 물리학자들은 원자로부터 발산하는 세 가지 종류의 방사선을 발견해냈습니다. 그것들은 각각 알파선, 감마선, 베타선으로 명명되었습니다. 1911년 오토 한의 실험과 1914년 제임스 채드윅에 의해서 베타 붕괴 스펙트럼이 분리되지 않고 연속적이라는 사실을 발견해냈습니다. 즉, 감마선과 알파선 붕괴에서 관측되는 분리된 에너지로 보다는 전자는 원자로부터 특정한 범위의 에너지로 방출된다는 사실은 에너지 보존 법칙이 성립하지 않았기 때문에 그 당시 핵물리학계에서 문제였습니다.

1905년 아인슈타인은 질량 에너지 등가성을 공식화시켰습니다. 앙리 베크렐과 마리 퀴리에 의한 방사선 연구가 먼저 있었습니다. 하지만 방사선 에너지의 원천에 대한 설명은 핵 자신이 더 작은 구성요소인 핵자로 구성되어있다는 발견을 기다려야만 했습니다.

*러더퍼드 팀의 핵 발견
1907년에 어니스트 러더퍼드는 [Radiation of the α Particle from Radium in passing through Matter]을 편찬했습니다. 왕립협회에서 한스 가이거는 러더퍼드와 함께 알파 입자가 공기, 알루미늄호일과 금박을 통과시키는 실험으로 이 연구를 확장 시켰습니다. 1909년 더 많은 연구가 한스 가이거와 어니스트 마르스덴에 의해 편찬되었습니다. 더욱 크게 확장된 연구는 1910년에 가이거에 의해 편찬되었습니다. 러더퍼드는 한 실험을 설명하기 위하여 1911년~1912년 왕립협회에 우리가 지금 이해하고 있는 새로운 원자핵 이론을 제출했습니다.

이 발표에 있어서 중요한 실험이 1910년 멘체스터 대학교에서 시행되었습니다. 러더퍼드 팀이 가이거-마르스덴 실험을 한 것입니다. 이 실험은 어니스트 마르스덴과 한스 가이거가 러더퍼드의 감독 아래에서 알파 입자(헬륨원자핵)를 얇은 금박에 쏘아준 실험이었습니다. 톰슨의 원자 모형은 알파 입자의 궤적이 아주 약간 빗겨나가며 금박에서 나와야 한다고 예측했습니다. 약간의 입자는 큰 각도로 산란 되었습니다. 심지어는 완전히 반대인 것도 있었습니다. 그는 이 실험을 티슈페이퍼에 총알을 쏘아서 튕겨 돌아오는 것에 비유했습니다. 1911년에 러더포드 데이터의 해석에서 시작된 그 발견은 마침내 러더퍼드 원자 모형을 탄생시켰습니다. 그 원자는 아주 작고 원자 대부분의 질량을 가진 밀집된 핵입니다. 그리고 전하의 균형을 맞추기 위해 끼워진 전자를 가지며 양전하의 입자로 구성되어있습니다.

핵 스핀이 프란코 라세티에 의해 발견되기 전까진 러더포드 모델이 주로 사용되었습니다. 1929년에 캘리포니아 공과 대학교에서 1925년까지는 양성자와 전자는 1/2의 스핀을 가진다고 알려졌으며, 질소 14N의 러더퍼드 모형에서, 21개의 핵입자 중 스무 개는 서로 다른 것들의 스핀을 상쇄하기 위해서 짝지어져야 했습니다. 그리고 마지막 홀수의 입자는 1/2의 순수한 회전의 상태여야만 했습니다. 그러나 라세티는 질소14N는 1의 스핀을 가졌다는 것을 알아냈습니다.

*채드윅이 중성자 발견
1932년에 제임스 채드윅(S.J.Chadwick)과 발터 보테(W.Bothe)와 이렌 졸리오퀴리(I.Joliot-Curie), 프레데리크 졸리오퀴리(J.F.Joliot-Curie)에 의해 관측되었다는 방사선이 사실은 양성자와 거의 같은 질량을 가진 중성의 입자에 의한 것임을 깨달았습니다. 그것은 중성자라고 명명되었습니다. 같은 해에 러시아의 이론물리학자인 이바넨코는 중성자들이 사실 1/2 입자의 스핀이고 핵은 중성자를 포함한다고 주장했습니다. 양성자에 의한 질량이 아님을 설명하기 위해서 그리고 중성자와 양성자에는 전자가 없다고 주장했습니다. 중성자의 스핀은 즉시 질소 14N의 스핀 문제를 해결했습니다. 이 모델에서 한 짝지어지지 않은 양성자와 한 짝지어지지 않은 중성자 각각이 같은 방향으로 1/2의 스핀을 했고 전체 스핀이 1이 되었습니다.

과학자들은 중성자의 발견으로 마침내 각 핵이 가진 결합 에너지의 부분을 계산할 수 있게 되었습니다. 그것을 구성한 양성자와 중성자를 이용한 방법으로 계산된 핵질량과 핵반응이 측정되었을 때의 차이점은 아인슈타인의 질량 에너지 등가와 오차 1% 이내의 높은 정확성으로 일치하였습니다.

*유카와의 중간자 (‘핵을 결합 시킨다.’라고 가정)
1935년 유카와 히데키는 핵이 서로를 어떻게 끌어당기는지 설명하기 위해 처음으로 강한 상호작용에 관한 중요한 이론을 제안했습니다. 유카와 상호작용에서, 나중에 중간자라고 불린 가상의 입자는 중성자와 양성자를 포함하는 모든 핵자 사이에서 힘을 중개합니다. 이 힘이 왜 핵들이 양성자의 전기적 반발에 의해 분리되지 않는지를 설명합니다. 그리고 또한 왜 양성자간에서 강한 상호작용력이 전자기 상호작용력보다 더 제한된 범위를 가지는 것을 설명해 줍니다. 나중에 중간자 중의 하나인 파이온의 발견이 유카와의 입자의 성질을 가진다는 것을 보여줬습니다.

유카와의 논문에서, 원자의 현대 모델은 완벽합니다. 원자의 중심에는 강력에 의해 묶인 중성자와 양성자의 단단한 구체가 있습니다. 너무 크거나 양성자와 중성자의 개수의 비가 불안정하다면 핵은 붕괴하려 합니다. 불안정한 핵은 세 가지의 붕괴 방법 사용하여 안정된 상태로 이동합니다. 양성자 2개와 중성자 2개의 짝인 헬륨원자핵을 방출하는 알파 붕괴를 하거나, 또는 핵에 있는 양성자를 중성자로 전환하거나, 중성자를 양성자로 전환하는 베타 붕괴를 합니다. 또한, 특정 핵종들의 경우 입자선을 배출하는 경우가 아닌 감마선을 방출하여 안정된 상태로 가려고 하는 감마 붕괴 현상이 나타납니다.

 물리학자들은 약한 상호작용과 강한 상호작용의 이해를 위한 연구에서 전자와 핵을 아주 높은 에너지에서 충돌시켰습니다. 이 연구는 약력, 강력, 전자기력을 설명하는 표준 모형의 크라운 쥬웰인 소립자 물리학이 되었습니다.