45 - 45장. 입자물리학 물질구성의 궁극은...

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Unformatted text preview: 45장. 입자물리학 물질구성의 궁극은 무엇이며 삼라만상을 어떤 원리에 의하여 기술할 수 있는가를 알아보는 물리학 분야가 입자물리학이다. 45-1 물질의 구성원 물질 = ∑[원자(atom)들] 19세기: 20세기초: 전자(e- 또는 e), 광자 존재함 원자 = 핵 + 전자들 핵(nucleus) = ∑[핵자(nucleon)들] 핵자 = 양성자(proton, p), 중성자(neutron, n) 중성미자(neutrino): 1930 예언/파울리(Pauli), 1956 발견 양전자(positron, e+): 1932 발견/앤더슨(Anderson)/우주방사선(★) 중간자(meson): 1935 예언/유가와(Yukawa)/“핵자를 묶어준다”, 2차대전 직후: π-중간자(π-meson)을 우주방사선에서 발견/파우월(Powell), [우주방사선 ⇒ K입자(기묘입자)도 발견] …………… ⇩ 1950년대 이후: 가속기 에너지 점점 커짐 ⇒ 많은 새로운 입자들을 발견 너무 많이 만들어지고 대부분은 수명이 매우 짧다 (만들어진 숫자는 가속기에너지에 관련) ꀻ 과학적 질문: 그렇게 많은 종류가 모두 기본입자? 상식적/철학적 질문: * ★읽을거리-45a+45b (45장끝 참조) vs 자연적실재 45-2 입자의 분류 1. 스핀에 의한 분류: 페르미온과 보존 모든 입자는 스핀(고유각운동량)을 갖음 ⇩ •페르미온(fermion) ≡ 스핀값이 1/2의 홀수배인 입자, 배타원리[같은 양자상태(위치 포함) 회피]를 따름 e.g. 스핀 1/2 입자: 전자(e), 양성자(p), 중성자(n) •보존(boson) ≡ 스핀값이 1/2의 짝수배인 입자, 배타원리 없음 ⇒ 대부분이 같은 양자상태를 갖게되는 “보스(Bose)-Einstein 응축” 가능(1995 실험) e.g. 파이온(π, 스핀 0), 광자(스핀 1) 2. 상호작용에 의한 분류 자연에 4종류의 상호작용(⇔힘)이 있음; 힘 ⇔ 장(field) ▸게이지(gauge)입자 ≡ 교환으로 힘을 매개하는 입자 •중력(gravitation): 모든 입자 사이의 인력 (∴“만유인력”), (4가지 중 최소이고) 아주 약함 ⇒ 입자물리에서 흔히 생략 ▸중력자(graviton) ≡ 중력 게이지입자, 스핀 2 [미발견] •전자기력: 모든 전하 띤 입자 사이, 인력(++,--)/척력(+-) ▸광자 ≡ 전자기적 게이지입자, 스핀 1 •강한 상호작용(strong interaction) ⇔ 강한 힘: 전자기력 보다 훨씬 강한 하드론 사이의 힘 ⇒ 전 자기력(pp 척력) 이기고 핵형성 가능 ▸하드론(hadron/중입자) ≡강한 상호작용 하는 입자 e.g. Spin 1/2: 양성자(p), 중성자(n), … Spin 1: 중간자(meson) ▸바리온(baryon/강입자) ≡ 큰 질량(> mp )의 fermion-하드론 (∴meson은 아님) ▸렙톤(lepton) ≡ 강한 상호작용 받지 않는 입자 (∴≠ 하드론) e.g. 전자(/전자기력), 중성미자(/약한 힘) •약한 상호작용(weak interaction) ⇔ 약 한 힘: -붕괴나 중성미자가 포함되는 입자반응 등에서 작용하는 힘, 전자기력 보다 훨씬 약함 [게이지 이론/관점: 질량 ≠ 0 게이지입자를 갖는 상호작용/힘] 3. 입자(particle)와 반입자(antiparticle) 모든 “입자”에는 “반입자”(bar[ ]표시)가 존재함 (반[ ]: 같은 질량&스핀, 반대부호의 전하&여타양자수) e.g. 반양성자(antiproton, p), 가속기에서 발견 양전자(e+) ≡ 전자(e- 또는 e)의 반입자, 처음 발견됨 자신이 반입자인 경우도 있음: 광자(γ ), π0 등 ⁃ 45-3 렙톤 (Leptons) “Lepton”의 어원은 “가벼운 입자”였으나, 최근에는 양성자 보다 무거운 타 우(tau)입자도 있어서, 결국 상호작용의 성질에 의하여 분류된다고 할 수 있다. 즉 강한 상호작용은 않고 약한 또는 전자기적 상호작용만을 하는 입자이다. 렙톤에는 전자(e), 뮤온(muon, µ ), 타우(τ ) 입자와 이들과 관련 있는 3개의 중성미자(neutrinos, ν )가 있다: νe , e νµ , µ ντ . τ 이들 가운데 중성미자(ν )와 전자(e)는 수명이 길어 안정하지만 뮤온(µ )과 타우(τ )입자는 결국 안정한 전자와 중성미자로 붕괴한다. 뮤온의 경우 µ → e + νµ + νe 가 되며 그 수명은 약 10 -6 s 이다. 45-4 하드론 (Hadrons) 앞서 언급한 대로 핵력을 통하여 작용하는 입자들로 스핀이 정수인 중간 자(meson)와 강입자(baryon)로 나누어 생각할 수 있다. 1. 중간자(meson) 스핀 0, 1, 2, … 의 보존이다. 핵자들 사이에 힘을 매개하는 입자인 이들 은 독립적으로도 존재하며, 모든 중간자는 결국 전자, 양전자, 중성미자와 광자 등으로 붕괴한다. 원래 전자와 양성자 중간질량을 갖는다는 뜻으로 ‘중간자’라 했으나 이제 양성자보다 무거운 것도 발견했으니 무의미하게 되었다. 최초의 중간자는 파이온(π )이며, 그 후 캐이온(K ), 에타(η ) 같은 스핀 0 중간자, 로우(ρ ), 오메가(w ), 화이(φ ) 같은 스핀 1인 벡터중간자를 비롯하여 많은 입자가 발견되었다. 성미자와 광자 등으로 붕괴한다: 모든 중간자는 결국 전자, 양전자, 중 (수명: 10-8 s), (수면: 10-16 s). π → µ + ν/ ν π0 → γ + γ 2. 강입자(바리온, baryon) 질량이 양성자보다 크고 스핀이 1/2, 3/2, … 등인 페르미온 이다. - Spin 1/2: 람다(Λ , 1115.6 MeV/c 2 ), 시그마(Σ, ∼1190 MeV/c 2 ), 카이(Ξ , ∼1315 MeV/c 2 ) 등 - Spin 3/2: 델타(∆ , 1232 MeV/c 2 ), Σ* , Ξ* , Ω− 등 - Spin 5/2, 7/2, … 등등 이들 입자도 가장 수명이 긴 양성자(p)와 렙톤 등으로 붕괴한다. 45-5 기묘수(strangeness)와 기묘입자 1950년대 π 와 양성자(p)의 반응에서 새로운 입자(K, Λ, Σ 등)가 많이 발견 되었다. 그 생성/붕괴 과정을 조사한 결과 이들의 특이한 성질을 알게 되 어 기묘입자(strange particle)라 불렀다. 예를 들어, 고에너지 πp 충돌에서 π− + p → Λ0 + K0 ( ↛ n 0 + K0 ) 가 관측되었다. 물론 Λ0, K0 는 그들의 붕괴에서 알게 되었으며 비교적 천천히(10-10-10-8 s) 붕괴된다. 이들을 전에 알려진 p, n, π 등과 구별하기 위하여 기묘수(strangeness, S)가 도입되었다. •기묘수 보존: S = 0 (p, n, π , …), S = -1 (Λ, …), S = +1 (K , …) ▸보존(강한 & 전자기적 상호작용) 예: 위의 고 에너지 πp 충돌에서 [전] ∑S = 0 ⇔ [후] ∑S = (-1) + 1 = 0 ▸비보존(약한 상호작용) 예: [전] Λ0 (S = 1) ⇒ [후] p + + π− (S = 0) 예: 강한 상호작용 반응 π0 + n → K + + Σ− 에서 Σ− 기묘수 알아내기: [전] ∑S = 0, [후] S K = +1, ∴ S Σ = (-1). •강입자수(baryon number) 및 렙톤수(lepton number) 보존법칙: 강입자에는 강입자수(baryon number) +1, 그의 반입자에는 -1을 부여한 다. 또 렙톤에는 렙톤수(lepton number) +1, 그리고 그의 반입자에는 -1을 부여하자. 모든 입자반응에서 강입자수와 렙톤수는 반응 전과 후에 같다. 이것을 입자반응에서 각각 강입자수와 렙톤수 보존법칙(conservation law)이 라 부른다. 45-6 쿼크(quark) 모형 1. 하드론 입자의 기술 1950년대 후반부터 고에너지 입자가속기/측정기 등장으로 새 입자가 많이 발견되었다. 수명이, 양성자(p)를 제외하고는, 짧아 결국 붕괴(‣양성자+렙 톤)한다. 비슷한 성질을 가진 모임으로 분류할 수 있는 사실을 설명할 경 제적 방법의 모색이 기본입자 도입의 동기며, 렙톤을 기본입자로 하드론은 기본입자의 복합체로 생각하였다. 특히, 1964년 겔만(Gell-Mann)은 그 당시의 많은 하드론은 3개의 기본입자 로 기술할 수 있다 생각하여 쿼크(quark)라 불렀다: u(up, 엎), d (down, 다 운), s(strange, 스트레인지). (a) 베리온 : 세 개의 쿼크로 이루어짐. 양성자 p = (uud ) 중성자 n = (udd ) 람다 Λ = (uds ) : (uds 에 대한 대칭형, S = − 1 ) 시그마: Σ+ = (uus ), Σ0 = (uds ), Σ− = (dds ) 카이: Ξ0 = (uss ), Ξ− = (dss ) (: Strangeness − 2 ) 오메가 Ω− = (sss ) (: Spin 3/2, Strangeness − 3 ) 등으로 기술하면 많은 하드론 관련 현상을 기술할 수 있다. 그 이유는 뒤 쿼크의 성질로부터 알 수 있다. (b) 중간자(메손): 쿼크와 반쿼크로 이루어짐. 파이온: π+ = (u d ), π0 = (u u + d d − 2s s ), π− = (u d ) 케이온: K + = (u s ), K 0 = (d s ), (: Strangeness 1 ) 에타: η0 = (u u + d d + s s ) 2. 쿼크의 성질 앞서 기술한 하드론들의 연구에서 다음 성질을 알 수 있었다. (a) 쿼크의 바리온수는 1/3 (b) 쿼크는 스핀 1/2의 페르미온 (c) 전하 q ≡ Qe : Qu = 2 1 1 , Qd = − , Qs = − 3 3 3 (d) 기묘수(strangeness): Su = Sd = 0 , Ss = − 1 (e) 반쿼크 (u, d, s ) 의 강입자수, 전하, 기묘수: 쿼크의 음수(negative)값/[바 리온수 -1, 전하(-2/3, 1/3, 1/3), 기묘수(0, 0, +1)] 3. 최근 확장된 모형 (a) 1970년 그래쇼(Glashow)등이 매혹(charm)쿼크(QC 2/3, 스핀 1/2) 존재를 이론적으로 주장하였으며, (u, d, s, c ) 의 4 쿼크는 더 많은 입자의 존재를 예언한다. 1974년 팅(Ting)과 리히터(Richter)는 독립적으로 (c c ) 로 이루어 진 입자(J/Ψ )를 발견하였으며, 그 뒤 매혹쿼크가 포함되는 많은 입자의 발 견이 있었다. (b) 뒤에 b (보텀, bottom)쿼크, t(탑, top)쿼크의 존재를 알게 되었다. 1977년 웁시론[Y = (b b )] 이 발견된 뒤 b 쿼크를 포함한 많은 입자가 발견되었고, 1995년에는 (t t ) 입자가 발견되었다. 모두 6개인 쿼크는 6개의 렙톤처럼 2 개씩 짝을 지워 쓸 수 있다: u c t , , . d s b t 쿼크 질량이 매우 커서(173 GeV >> 양성자질량 0.938 GeV) 발견이 늦게 사 고에너지의 Fermi연구소에서 이루어졌다. (c) 약한 상호작용의 대표적 과정인 베타붕괴로 알려진 중성자붕괴(수명 92 초) 과정 n (udd ) → p (uud ) + e − + νe 을 통하여 d 쿼크는 (u, e, νe ) 로 붕괴되는 것을 알 수 있다. 45-7 기본 상호작용과 게이지 입자 자연에 존재하는 4가지 힘은 어떻게 설명할 수 있는가? (a) 중력은 스핀 2의 중력자 교환, 전자기력은 스핀 1의 광자 교환에 의하 여 힘이 전달된다고 하며, 이 때 힘을 매개하는 중력자, 광자를 게이지 입 자(gauge particle)라 부른다. (b) 1967년 와인버그(Weinberg)와 살람(Salam)은 약한 상호작용이 게이지입 자 (W +, W −, Z ) 를 통하여 일어난다고 생각하였고, 전자기적 및 약한 상 호작용을 통일적으로 생각하는 이론(‘전기약작용’이론)을 발표하였다. •많은 광자교환의 전기적 상호작용에는 Z 입자 교환도 섞여있으나 그 질 량(91 GeV)이 너무 커서 그 기여도가 작을 뿐이다. •베타붕괴의 기술은 아래와 같다: d → u + W − , W − → e + + νe .. •W 입자(질량: 82 GeV)는 1984년, Z 입자는 1986년 CERN연구소에서 발 견되었다. (c) 쿼크는 하드론을 형성하는 역할을 할 뿐 단독으로 발견되지는 않았다. 이 쿼크들은 어떻게 묶여 있을까? 쿼크들은 글루온(gluon)이란 스핀 1, 질량 0인 게이지입자에 의하여 묶여 있다고 알려졌다. 이것은 강한 상호작용의 매개체이며 (광자가 전하를 띤 입자들 사이의 힘을 전달하는 것과는 달리) 새로운 물리량인 색깔(color: 보 통의 색과 다른 새로운 양자상태)이 있어 쿼크는 색깔양자수를 가지며, 글 루온은 색깔 사이에 작용하는 게이지 입자이다. 이 색깔에는 3가지가 있 어 r(red, 붉음), g(green, 초록), b(blue, 푸름)라 부르기로 하였다. 스핀 3/2인 입자 중에 ∆++ = (uuu ), Ω− = (sss ) 는 배타원리에 모순되 는 것 같으나, 구성 쿼크가 색깔을 갖으며 색깔에 대한 반대칭도 생각하면 모순 없는 설명이 된다 (d) 위에 기술한 것을 입자들의 표준모형(standard model)이라 부르 기존 의 실험은 거의 다 이 것으로 설명되지만 궁국적인 이론이 아니다. 중력 이 빠져있는데 그것이 아주 높은 에너지에서는 다른 상호작용에 버금가는 중요한 역할을 하기 때문에 보다 포괄적인 입자모형이 연구되고 있으며 21세기의 중요한 연구 과제라 할 수 있다. 45-8 가속기 실험 원자보다 작은 입자들의 실험에서는 입자를 빠른 속도로 가속시켜 원자나 핵에 충돌시킨 뒤 결과를 조사한다. 이러한 목적으로 전하 띤 입자를 가 속하려면 전기장으로 힘을 주고 자기장으로 방향을 바꾸는 가속기가 필요 하며 결과의 기록에는 측정치가 필요한데 그 들의 꾸준한 발전이 있었다. 1. 가속기(accelerators) (a) 원형가속기(circular accelerators) 1930년 처음으로 로렌즈(Lawrence)는 대전된 입자를 자기장 주위를 돌 리면서 원 지름을 통과할 때마다 전기장에 의하여 입자에게 힘을 주어 가 속시키는 장치인 싸이크로트론(cyclotron)을 만들었다. 그는 대전된 양성 자를 80,000 eV의 에너지로 가속시켰다. 이러한 방법으로는 자석의 반경에 따라서 에너지가 커지므로 큰 자석을 만들 수 없어, 더 이상 가속할 수 없 게 되었다. 다음에 등장한 것이 싱크로트론(synchrotron)이란 원형가속기 이다. 여기서는 입자 빔이 진공 파이프를 따라 수십만 번 움직이고 입자 들은 rf 진동에 의하여 가속된다. 최근 미국 Fermi 연구소에서는 양성자를 1 TeV(= 10 12 MeV)까지 가속시키고 있다. 가속기에서 한(표적) 입자는 정지해 있고 다른 입자가 가속된 후 부딪 치는 경우를 고정표적(fixed target)의 가속기실험이라 한다. 한편 두 입자 가 서로 반대쪽으로 돌다가 몇 곳에서 부딪치는 경우는 더 높은 에너지 효과를 얻게 되는데 이것을 충돌빔(colliding beam) 가속기실험이라 부른다. (b) 선형가속기(linear accelerators) 전자의 경우 원형으로 가속시키면 광자가 많이 나가는 싱크로트론(방사 광)복사로 에너지를 많이 잃어 효율이 떨어지므로, 고에너지 전자 가속기 에서는 선형으로 가속시켜서 충돌실험을 하는데 이러한 가속기를 선형가 속기라 한다. 원형가속기도 있지만 전기료가 엄청나게 들어서 보다 큰 미 래 전자가속기는 선형으로 고안되고 있다. (c) 방사광(synchrotron radiation) 전자가 원형가속기에서 회전할 때 방사광이 나오는 것은 가속된 전자 의 사용에는 불편하나 방사광 자체를 유용하게 쓸 수 있다. 이러한 방사 광은 X선과 같이 물성이나 생물체 연구 등에 많이 쓰이며, 포항에 우리나 라에서는 가장 큰(2 GeV = 2x10 3 MeV) 방사광가속기가 있다. 2. 측정장치(detectors) 가속기 실험은 입자의 발견에 매우 중요한 기여를 하고 있다. 존재여부의 실험적 판정 다음에는 발견된 입자의 자세한 특성을 밝히는 실험이 필요 하며, 실험에는 철저한 결과검증이 따라야 하므로 측정장치는 가속기와 함 께 입자물리학 수레의 두 바퀴라 할 수 있다. 20세기 초창기에 방사선이 나 핵반응에서 전하를 띤 입자의 검증에 안개상자(cloud chamber)를 이 용하였다. 알파(α ), 베타( ) 입자의 검증과 양전자(e + )의 발견은 안개상자 로 이루어졌다. 그 뒤 우주방사선을 연구할 때 에말죤(emulsion)을 이용 하여 대전된 입자의 지나간 자국을 알아내는 방법이 고안되어 π 중간자를 발견하는데도 사용하였다. 1950년대에 가속기 발달로 많은 입자를 새로 만들어 낼 수 있었는데 이 때 사용된 장치는 거품상자(bubble chamber)였다. 맥주 속에 물체를 떨어뜨리면 방울이 생기는 현상과 같은 원리를 이용하는데, 저온고압 상태 의 액체수소를 썼으며 사진의 분석을 육안으로 하기 하였다. 그 뒤에는 전자기장을 이용하여 지나가는 전자나 광자 등을 추적하는 장치로 기체나 고체를 통과하는 것을 추적하는 방법 등이 개발되었고 모든 것이 컴퓨터 와 연계하여 결과를 얻을 수 있게 개발되었다. 중성미자의 실험에서는 물 이나 염소 같은 액체를 담은 통을 통과할 때 일어나는 반응을 조사하는 방법을 사용하기도 한다. 가속기 실험은 입자물리학의 발전에 매우 중요한 기여를 하고 있다. 그러나 한없이 에너지를 크게 만들 수는 없다. 비용이 너무 많이 들어 요 즈음은 국제공동으로 가속기를 제작 운영하고 있다. 45-9 우주론(cosmology) 물리학은 아주 작은 물질 영역의 현상도 연구하지만, 아주 큰 우주 영역도 연구할 수 있다. 천문학적 물체도 지상의 물체와 같은 물리학 원리를 따 르므로 우주는 물리학 법칙이 성립하는 대상을 넓혀준 실험실의 역할을 제공한다고 할 수 있다. 우주론이란 단순이 별이나 은하계를 관측하는 것 외에도 물리법칙을 따라 우주가 시간에 따라 어떻게 변하는 가도 연구하 는 분야이다. 우주에서 여러 가지 현상이 관측되고 있어 물리학자에게 많 은 연구 과제를 제공하고 있다. 1. 우주의 팽창 원거리의 은하에서 오는 빛의 도풀러(Doppler) 효과를 관측하면, 그들은 모 두 우리로부터 멀어지고 있다는 것을 알게 된다. 1929년에 허불(Hubble)이 은하의 거리와 달아나는 속도 사이에 비례관계 v = H r , (H 17 10− 3m/s ly) :허불상수, 거리 이 법칙은 뒤에 가 있는 것을 발견하였는데 허불법칙이라 부른다. [거리 r 를 광년(light year, ly) 단위로 대입하면 팽창속도 v 는 m/s로 나온다.] 나오는 대폭발이론을 뒷받침하고 있다. 2. 우주배경방사선 (Cosmic Background Radiation) 1965년 펜지아즈(Penzias)와 윌슨(Wilson)은 미국 벨연구소에서 통신을 위한 정밀한 마이크로파 수화기를 검토하면서 가느다란 잡음이 있음을 알게 되 었다. 여러 노력으로도 이것을 없앨 수 없었는데, 이것은 후에 전 우주에 고르게 퍼져있는 배경방사선임을 알게 되었다. 그 파장이 1.1 mm인데 온 도 2.7 K의 흑체복사 파장에 해당된다. 이것은 전자기파가 입자들과 충돌, 흡수되고 하던 것이 폭발 후 3억년경 우주가 작은 덩어리이며 105 K 정도 였을 때 단열팽창으로 퍼져나가면서 점점 식어지고 원자들이 만들어져, 더 이상 흡수되지 않고 자유로이 움직이는 전자파로 남아 있는 것이다. 지금 관측한 것은 우리가 우주에서 볼 수 있는 가장 오래된 것이라 할 수 있다. 이것이 대폭발이론에 대한 신빙성을 더해 주었다. 3 . 암흑물질(dark matter) 우주를 관측하면 은하수처럼 잘 보이는 별들이 접시 모양으로 같이 넒은 평면 가까이 많이 모여 있다. 평면에서 멀리 떨어질수록 별이 조금 보이 는데 이것은 빈 공간인가? 보이는 별들의 운동을 자세히 연구하면, 우주 에는 안 보이는 물질이 약 90%쯤 되는 것으로 나타났다. 중성미자 같이 관측하기 어려운 물질도 있고 아직 발견되지 않은 액시온, 또는 위노 같은 초대칭 중성입자 등 모르는 입자들도 있을 것이라고 생각하고 있다. 암흑 물질에 대한 조사는 아직 발견되지 않은 (표준모형에는 포함되지 않은) 새 로운 물질을 찾는데 도움이 되지 않을까 생각하기도 한다. 4. 대폭발(Big Bang)과 우주론의 의의 우주는 어느 시간 t = 0 에 한 점과 같은 특이점에서 시작하였으며, 이 때 에 우주는 매우 밀도가 컸다. 우주는 팽창하면서 오늘날 우리가 관측하는 물질, 별, 은하계 등이 만들어졌다는 이론이다. 이것은 가모프(Gamow)에 의하여 처음 제안되었으며 앞에서 한 우주팽창의 실험관측, 마이크로파 의 존재 등과 잘 일치하는 현상을 설명할 수 있어서 많은 사람들이 이것 을 믿고 있다. 어려운 점은 아주 작은 우주로 있을 때는 아마 지금의 물 리학이 성립하지 않을 것이라는 것이다. 따라서 지금의 물리학으로 모든 과정을 설명하는 데에는 문제가 있으며, 따라서 여러 모형이 존재한다. 또 폭발 후 은하계가 한 쪽으로 모아진 것은 왜 그러는지를 밝혀야 하는 문제도 있다. (a) 멀리 떨어진 은하계에서 오는 빛/방사선을 조사하면, 수 억 년 전 그것 이 은하계를 출발할 때의 물리학적 상황을 알 수 있다. 따라서 우주론의 연구는 물리학자들이 점점 관심을 가지고 연구하게 되었다. (b) 우주에는 지상의 가속기에서 만들어 낼 수 없는 아주 높은 에너지를 가진 입자도 존재함을 관측하였다. 비용 관계로 가속기 에너지를 어느 한 계이상 높일 수 없는 것을 생각하면, 입자물리학의 좋은 실험 결과를 우주 에서 오는 여러 관측을 통하여서만 얻을 수 있을 것이다. (c) 표준모형에서 벗어나는 새로운 물리학은 주로 고에너지 현상으로 생각 할 수 있으므로 새로운 모형과 아이디어를 증명할 수 있는 영역으로 우주 론을 들 수 있고, 우주의 신비에 대한 인간의 탐구욕에 힘입어 우주론이 앞으로 중요해질 것이라 생각한다. 이 모두가 삼라만상의 원리를 추구하 려는 물리학의 영역이라 하겠다. ★읽을거리-45a: 우주방사선의 발견 1890년대 말에 지구상에는 우라늄, 라디움 등 많은 방사선 물질이 있음 을 알게 되었다. 지구가 둥그니까 지상에서 높이 올라가면, 방사선 밀도 가 적어질 것이라 생각한 사람들이 많아 졌다. 이것을 실험적으로 증명하 려는 시도로, 1900년대에 파리 만국박람회 기념으로 새워진 에펠(Eiffel)탑의 위와 아래에 검전기를 놓고 두 검전기의 벌려진 박막이 오므라드는 시간 을 조사하였다. 그러나 그 차이를 알아내는데 실패하였다. 그 뒤 Hess는 검전기를 알프스산맥의 위와 아래에 놓고 조사하였다. 그 결과는 위쪽의 것이 먼저 오므라드는 것을 알았다. 그래서 다음에는 기구를 띄워 지상과 높은 공중에서의 차이를 조사하였다. 역시 위가 더 많은 방사선의 영향을 받는 것을 발견하여, 이것은 지구 밖에서 오는 방사선의 영향이라고 생각 하게 된 것이며, 이 방사선을 우주방사선(cosmic ray)라 불렀다. 이러한 발 견의 공로로 Hess는 노벨물리학상을 받았다. ★읽을거리-45b: 양전자 방출 단층촬영법 (positron emission tomography, PET) 첨단과학 장비가 의학적 진단에 많이 쓰이는 것은 잘 알려져 있다. 특 히 PET는 비교적 최근에 개발된 진단방법으로서 암 같은 환부의 위치, 크 기 등을 알아내는데 쓰인다. 환부에 모인 탄소 동위원소 15O는 양전자를 방출하며 붕괴한다. 이 양전자는 옆에 많이 있는 전자와 결합하여 곧 광 자 두개로 붕괴한다는 것이 입자물리에서 쌍소멸 현상으로 알려졌다. 즉 + e + e → γ + γ' 는 환부에서 일어나기 때문에, 환부 밖에서 두 광자를 재면 양전자와 전자가 만난 위치 등을 알 수 있다. 컴퓨터를 써서 쌍소멸이 일 어나는 위치를 재구성하면 환부의 위치를 선명하게 촬영할 수 있다. 양전자 단층촬영에 많이 쓰이는 동위원소에는 11C, 19 F, 18N, 15O 등이 있는데 반감기가 짧아서(2-110분 정도) 촬영기가 있는 곳에 동위원소를 만드는 가속기 를 함께 설치하여야 한다. 요즈음 큰 병원(서울대병원 등)에는 양전자를 발생하는 동위원소를 만드는 가속기 가 설치되어 있다. 동위원 그림 Serway and Beichner 1515쪽 fig. 46.3 소가 환부 도달하게 하 기위해 포도당 용액에 섞어서 인체에 주입한다. 이 포도당용액은 암과 같 은 환부에 빨리 축적되고 여기에 같이 실려 온 동위원소에서 방출되는 양 전자에 의해서 단층촬영이 이루어진다. 특히 뇌 활동이 왕성한 부분의 포 도당대사가 빠르므로 언어나 음악 등의 활동을 할 때 단층촬영을 하면 뇌 의 어느 부분이 환자 행동과 관계가 있는가를 알아 볼 수도 있다. ...
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This note was uploaded on 03/23/2009 for the course MATHEMATIC 공학수í taught by Professor Leekyungsook during the Spring '05 term at Yonsei University.

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