러더포드(Ernest Rutherford, 1871-1937)는 1911년 톰슨(John Thomson, 1856-1940)의 원자구조모델을 확인하던 중, 원자의 모든 양 전하량(positive charge)과 질량의 대부분이 원자핵의 부피 내에 집중이 되어있고, 원자의 크기에 비교해서 원자핵의 크기가 매우 작다는 것을 발견하였다. 1919년 러더포드는 α 입자를 질소에 충돌시킴으로서 처음으로 인공핵변환에 성공하였다; 방출되는 수소이온(양성자들, protons)들의 운동에너지가 입사하는 α 입자의 에너지보다 어떤 경우에는 컸으므로 러더포드는 양성자들이 핵의 내부에너지를 떼어서 운반하는 것으로 결론을 내렸다. 또한 1919년 애스톤(Francis Aston, 1877-1945)은 1912년 톰슨이 처음으로 수행한 작업을 확장하여, 그가 막 발명한 질량분석기를 사용하여 많은 원소들이 같은 핵전하량을 갖는 안정한 동위원소들이 존재하고 화학적으로는 같지만, 질량만은 차이가 나는 것을 확인하였다.
러더포드와 애스턴의 연구는 그 이후 10년 동안 핵물리학의 성공에서 버팀목이 되었다: 안개상자기술의 개선은 핵변환지식을 확장하였고, 질량분석학의 발전은 동위원소들의 질량을 정밀하게 판별하게 해주었다. 그러나 이론적으로 핵문제는 수수께끼가 많았다. 1928년 가모브(George Gamow, 1904-1968), 콘돈(Edward Condon) 그리고 구르네이(Ronald Gurney, 1898-1953)가 방사성붕괴 핵을 만들어 냈고, 새로 나온 파동역학에 의하면 α 선(입자)이 핵들의 포텐셜 장벽을 통과(tunnel)할 확률이 그리 크지 않다는 것이 밝혀졌다. 그러나 β 선 방출의 설명이 문제였다. 1925년 엘리스(Charles D. Ellis, 1895-)와 우스터(W. Wooster, 1903)의 실험은 핵변환시에 방출되는 많은 양의 에너지가 β 선의 방사로서는 설명이 되질 않았다. 게다가 핵의 전하량과 β 방사를 설명하려면, 핵 내부에 전자들이 존재하는 것으로 가정해야만 하는데, 불확정성원리에 의하면 전자가 핵 내부에 존재할 수 없음을 암시해 주고 있다.
1930년 보테(Walter Bothe, 1891-1957)와 베커(Heinrich Becker, 1911-1942)는 선으로 베릴륨과 같은 가벼운 원소에 충돌을 시킬 때 비정상적 투과 능력의 방사물질이 나오는 것을 발견하였다; 2년 후 퀴리가의 이렌느(Irène Joliot-Curie, 1897-1956)와 프레드릭(Frédéric Joliot, 1900-1958)이 그 방사에너지가 수소화합물의 양성자를 튕겨낼 만큼 크다는 것을 발견하였다.
채드윅(James Chadwick, 1891-1974)이 1932년 그 방사입자가 전하를 띄지 않은 양성자와 같은 질량을 가진 중성자임을 밝혀서 고 에너지 양성자라는 용어는 사라지게 되었다. 중성자의 발견으로 오랜 난제들을 해결해 주게 되었다. 이전까지는 핵이 전하량 Z 와 질량 A 로 표현하여 A 의 양성자와 A-Z 의 핵전자로 구성이 되었다고 썼다; 그러나 채드윅이 중성자를 발견하고 나서, 같은 해인 1932년 하이젠베르그(Werner Heisenberg, 1901-1976)는 전자가 없는 핵은 Z 의 양성자들과 A-Z 의 중성자로 구성된다고 제안하였다. 하이젠베르그 모델에서는 β 방사는 양성자가 중성자로 변환 시에 발생되고, 그 역 과정에서도 발생이 된다고 하였다. 페르미(Enrico Fermi, 1901-1954)는 1934년 파울리(Wolfgang Pauli, 1900-1958)의 가설인 핵변환시 손실에너지가 중성미자(neutrino)[ 그리고 페르미는 방출된 전자의 스펙트럼에서의 에너지 분포와 마찬가지로 베타붕궤의 에너지와 평균수명사이의 관련성을 설명하였다. 핵의 결합력에 대해서 알기위하여, 하이젠베르그의 연구를 기초로 이루어진바, 1935년 유가와(Hideki Yukawa, 1907-)가 강한 핵력(상호작용)은 핵자들(nucleons) 사이에 교환되는 장 양자에 기인한다고 보았으며, 여기서 핵자란 양성자와 중성자를 말하는 것이었다. 강한상호작용(강력)과 약한상호작용(약력)은 극도로 짧은 거리인 10-13cm 의 거리에서 이루어진다; 작용거리는 강한상호작용의 경우가 약한상호작용의 거리보다 약 100 배 더 크고, 약한 상호작용의 크기는 원자를 묶어주는 전자기력보다도 약 1010 배 정도 작다. 1934년 졸리오가 발견한 것은 방사능을 이용하여 비방사성물질로부터 인공방사성물질을 만들 수 있다는 것으로서, 중성자 시료로서 무거운 원자핵을 연구하는 것이었다. 1938년 한(Otto Hahn, 1879-1969)과 스트라스만(Fritz Strassman, 1902-1980)이 중성자를 우라늄에 충돌시킨 결과 절반의 전하와 질량을 가진 원소로 쪼개지는 우라늄의 연쇄 핵분열을 확인하여 새로운 국면으로 실험이 접어들게 되었다. 마이트너(Lise Meitner, 1878-1968)와 프리시(Otto Frisch, 1904-1979)의 해석에 따른다면 중성자의 흡수에 의해서 우라늄은 불안정해진다고 하였으며, 1942년 최초로 원자로에서 첫 핵연쇄반응이 이루어 졌다. 동시에 핵 구조에 대한 모델이 경쟁적으로 나왔다. 1934년엔 엘사서(Walter Elsasser, 1904-)가 독립입자모델로서 양성자와 중성자들로 채워진 핵 껍질을 가정하여 일정 핵의 안정성을 설명하려했고, 이것은 원자에서 전자껍질과 유사한 것이었다. 실험에 의하면 핵자들이 서로 간 독립적으로 움직이지 않는 것으로 추측이 되었다; 보어(Niels Bohr 1885-1962)의 대안은 액체방울모델로서 복합핵 형성이 이루어진다고 하여 성공적인 모델이 되었다; 이로부터 바이재커(Carl Friedrich von Weiszcker, 1912-)는 핵의 질량들에 대한 반경험적인 공식을 만들어 냈다. 마이어(Maria Gopert-Mayer, 1906-1972)는 큰 중성자수 영역에서 쓰인 에라서의 껍질모델을 변형했지만, 일정 핵의 전하분포에 관한 회전타원면체의 모델을 설명하는 데에 실패하였다. 아지 보어(Aage Bohr, 1922-)와 모텔선(B. R. Mottelson, 1926-)은 껍질모델의 본질적인 모양을 취해서 집단 핵 모형을 제안하였고, 핵 표면과 액체방울의 유사모델이 1952년에 출연되어 강조되었다. 참고문헌- H. A. Boorse, and L. Motz(eds), The World of the Atom, 2 vols.(New York, 1966).
- R. Stuewer(ed.), Nuclear Physics in Retrospect(Minneapolis, 1979).
- C. Weiner(ed.), Exploring the History of Nuclear Physics(New York, 1972).
- G. K. T. Conn and H. D. Turner, The Evolution of the Nuclear Atom(New York and London, 1965).
핵분열성 물질을 급격히 임계량 이상으로 도달시켜 폭발적으로 핵분열 연쇄반응을 일으키는 것. 원자폭탄이나 수소폭탄 또는 핵탄두의 폭발이 이것이다. 군사∙국제정치∙과학∙산업상 여러 가지 목적으로 이용된다. 최초의 핵폭발은 실험적으로 1945년 7월 16일 미국의 New Mexico주 알라마골드에서 행해졌으며 제2회, 제3회의 핵폭발은 실제의 핵무기로서 각각 동년 8월 6일 일본 히로시마, 8월 9일 나가사키에 투하되어 많은 인명을 앗아가고 막대한 피해를 주었다. 핵폭발의 평화적 이용으로는 토목∙발전∙지하자원 개발∙지구물리학적 연구 등이 생각되며 그 예로서 미국의 Plowshare계획 및 그 일부로서 Nomme계획 등이 있다. 핵폭발 (nuclear explosion) 소립자]로 날라 간다는 가설로부터, 하이젠베르그의 상호작용을 조정하기 위해서 약한 핵력을 도입하였다. |
2013년 02월 15일 (금) 11:03
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