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핵물리학 Nuclear Physics |
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1. 개요
核 物 理 學 / nuclear physics물리학의 한 분야로 원자핵에 관계되는 현상을 다루는 분야를 말한다.
'원자핵물리학'이라고도 하기 때문에 원자물리학과 혼동하기 쉽지만 다른 개념이다. 그러나 한편 그 근본 원리를 양자역학으로 이해해본다면 같은 맥락(context)에서 공통점과 차이점을 찾을 수 있다. 원자물리학이 핵과 전자의 고립계를 거시적으로 상정한다면 핵물리학은 원자핵에 보다 포커스를 둔다고 이해해 볼수있다.
1.1. 사전적 정의
| 핵물리-학(核物理學) | 「001」 「명사」 『물리』 원자핵의 구조나 반응 따위를 연구하는 학문. 물리학의 한 분야이다. [1] |
| 원자^물리학( 原 子物理學) | 「001」 『물리』 물질의 기본적 구성단위인 원자의 구조나 성질을 연구하고 물질의 거시적인 속성을 이들의 집합 현상으로 설명하려는 학문. 물리학의 한 분야이다.[2] |
2. 역사
핵물리학의 태동기는 19세기 말~20세기 초다. 1896년 베크렐이 방사선을 발견하면서 핵물리학의 신호탄을 쏘았고 이후 본격적인 핵물리학 연구가 시작되었다.양자역학이 연구되면서 원자의 더 작은 세계까지 연구가 가능해졌다.
3. 분야
오늘날 주로 논의되는 내용은 빅뱅 직후 만들어진 극한 상태의 핵물질인 쿼크-글루온 플라즈마와 쿼크와 글루온으로 구성된 양성자와 중성자(양성자와 중성자는 핵자라 부른다)의 내부구조, 강입자의 특성 뿐만 아니라, 양성자와 중성자의 집합체인 원자핵내에서의 핵자 간 작용하는 핵력 상호작용 규명, 바닥상태와 들뜬상태의 원자핵의 크기, 모양, 진동 형태, 들뜬 에너지 등을 측정하고 이론적으로 연구한다. 특히 대형 중이온 가속기의 발전으로 4000여 종류로 추정되는 불안정한 원자핵(희귀동위원소)을 가속기와 분리장치를 이용하여 생성하고 이를 이용하여 그동안 알려지지 않은 핵의 특이 구조를 규명한다. 뿐만아니라 희귀동위원소 원자핵의 구조와 희귀동위원소와 안정한 원소 간의 핵반응을 측정하여 태양을 비롯한 별의 발생 에너지, 별의 내부 구조, 별의 진화, 초신성 폭발과 중성자별 간의 충돌과 같은 극한 상황에서 어떻게 철 이상의 무거운 원소들이 만들어지게 되는지를 연구한다.(이를 핵합성이라고 한다.)중이온가속기를 통해 핵반응의 단면적, 반응률을 측정해 다양한 핵반응을 연구하고, 이를 별의 진화와 항성 내부 구조, 초신성 폭발과 같은 천체의 폭발 현상에 적용해서 천체핵물리라는 연구 분야가 새로 생겨났다.
최근 한국에도 중이온가속기 RAON이 건설되고 있어 앞으로 핵물리와 천체핵물리 분야의 연구 활성화가 기대되고 있다.
3.1. 저에너지 핵물리학
핵물리학은 에너지에 따라서 고에너지 핵물리, 중간에너지 핵물리, 저에너지 핵물리로 나뉜다. 그 중 저에너지 핵물리는 원자핵에 대해 연구하는 분야이다. 원자핵은 양성자와 중성자의 비율이 적절한 안정한 원자핵 약 300여 종과 양성자 또는 중성자가 극단적으로 많은 불안정 원자핵 7000여 종이 있는데, 그 중 안정한 원자핵은 70년대에 연구가 사실상 끝났고 불안정한 원자핵 수천여종에 대한 연구가 진행 중이다.저에너지 핵물리학자들은 불안정한 원자핵 및 무거운 핵의 기원과 핵의 구조(특히 앞서 말했던 불안정한 원자핵의 구조)를 주로 연구하고 있다. 우선 무거운 핵은 대부분 별에서 만들어지는데, 별의 진화 과정에서 철 정도까지의 가벼운 원소가, 생을 마감한 별이 폭발하는 신성, 초신성 등에서 철보다 무거운 원소가 만들어지는데, 이를 핵합성이라고 한다. 이 핵합성 과정에 관여하는 원자핵의 에너지 준위와 핵합성 과정에서 수반되는 핵반응을 연구하면서 무거운 원소의 생성, 별의 진화와 별의 폭발을 연구한다.
일반적인 원자핵은 양성자와 중성자가 적절히 섞여서 물방울과 같은 구조를 가지고 분열하거나 융합하는 모습이 물방울과 비슷한 물방울 모형, 마법수와 핵자의 분포를 설명하는 껍질 모형, 핵자의 에너지를 설명하는 페르미 기체 모형 등으로 설명할 수 있다. 그런데 중성자가 과하게 붙어있는 핵은 핵력의 작용 때문에 일반적인 핵의 구조와는 다르다. 중성자가 바깥쪽에 껍질이나 후광처럼 모여 있는 구조를 이루기도 하고, 앞서 말한 껍질 구조가 크게 변하기도 하며 핵의 모양이 찌그러지거나 극단적인 경우는 서양배 모양으로 변하기도 한다. 또한 자기양자수같은 양자수가 변하며, 스핀이나 진동 구조가 변하는 등 다양한 구조의 변화가 나타나고, 이를 주로 연구하고 있다. 나아가 핵력의 성질과 핵 대칭 에너지, 중성자 과잉 핵물질 등을 연구하는 학자들도 있다.
핵반응의 경우, 앞서 말한 천체핵물리나 핵구조 연구에 필수적이기도 하고, 핵반응 자료를 구축하는 데에도 중요하다. 특히 다양한 핵 반응 모델을 가지고 핵반응의 특성을 연구하고 있다.
이러한 원자핵의 특성을 연구하는 분야가 저에너지 핵물리학이고, 국내에 건설중인 RAON, 미국 미시간 주립대학교, 미국 남부의 오크리지 연구소, 독일의 GSI, 프랑스의 GANIL, 일본의 RIKEN, 러시아의 JINR, CERN의 ISOLDE 등에서 중이온가속기를 이용해 주로 연구를 하고 있다.
3.2. 중간에너지 핵물리학
보통 강입자물리라는 표현을 많이 사용하지만 한국물리학회 등에 물리학계에서는 에너지에 따라 나누었으므로 중간에너지 핵물리학이라는 표현을 사용한다. 저에너지 핵물리학이 원자핵을 다룬다면 중간에너지 핵물리는 원자핵을 이루는 핵자 하나하나, 그리고 하드론이라고도 불리는 강입자를 다루는 분야이다. 강한 상호작용을 하는 입자라는 뜻에서 강입자라고 하는데, 우리가 알고 있는 양성자와 중성자도 강입자에 해당한다.양성자와 중성자에 쿼크와 글루온이 어떻게 들어 있으며 어떤 상호작용을 하는지 연구하고, 초기 우주에서 양성자와 중성자가 어떻게 만들어졌는지 연구하고, 양성자와 중성자의 구조를 아직 잘 모르고 있어, 이를 확인하는 연구를 진행 중이다.
입자물리학에서 설명하는 표준모형에서, 6종류의 쿼크가 있고 이 쿼크는 글루온에 의해 상호작용한다. 그 중 무거운 쿼크인 t 쿼크와 b 쿼크는 초기 우주에서 대부분 붕괴되었고, 일부 s, c, b쿼크[3]가 u 쿼크와 d 쿼크와 함께 특이한 강입자를 만들어낸다. 이런 특이한 강입자의 구조와 특성[4]을 규명하는 것이 중간에너지 핵물리학의 가장 중요한 과제이고, 새로운 특이 강입자를 가속기를 이용해 찾아내는 연구를 진행하고 있으며, 최근 LHC의 CMS에서 몇 종류의 강입자를 새로 발견했다고 한다.
일반적으로 강입자는 쿼크 3개로 이루어진 것이 일반적이지만, 드물게 4개, 5개로 이루어진 강입자가 존재하는데 그 중 쿼크 5개로 이루어진 강입자를 펜타쿼크라고 한다. 펜타쿼크에 대한 연구 또한 강입자물리에서 중요한 연구 분야이다.
이러한 연구 특성과 QCD, QED를 바탕으로 연구를 한다는 특성 때문에 강입자물리는 핵물리의 한 분야이지만, 입자물리와 연구를 상당 부분 공유하고 있다.
현재 국내에서는 가나다 순으로 고려대학교, 경북대학교, 국립부경대학교, 서울시립대학교, 연세대학교, 인하대학교 등에서 이 분야를 활발히 연구하고 있다.
3.3. 고에너지 핵물리학
고에너지 핵물리학은 저에너지 핵물리학과 성격이 많이 다르다. 목적에 있어서 저에너지 핵물리학이 핵반응을 이해하는 데에 중점을 둔다면 고에너지 핵물리학은 양자색역학적 효과(점근적 자유, 쿼크-글루온 플라즈마, 상전이 등)를 이해하는 데에 중점을 둔다. 가속기를 이용한다는 면에서 입자물리학과 방법론을 많이 공유한다.고에너지 핵물리학은 높은 에너지로 원자핵을 충돌시키는 실험을 한다는 특징이 있다. 쿼크나 글루온이 서로 주고받는 운동량이 충분히 클 때에만 양자색역학의 점근적 자유가 작용하여 핵자 내부의 쿼크와 글루온의 성질이 겉으로 나타나기 때문이다. 대표적인 실험 시설인 RHIC이나 LHC를 예로 들면 RHIC에서는 핵자당 250 GeV, LHC에서는 핵자당 5.02 TeV 의 높은 에너지로 충돌을 일으킨다.
1980년대 후반에 등장한 핵물리학의 비교적 신생 분야이다. 1970년대 물리학자들은 양자색역학의 점근적 자유를 원자핵의 충돌을 통해 확인할 수 있을 것으로 예측하였다. 이를 확인하기 위해 1986년 CERN의 SPS에서 처음 고에너지 원자핵 충돌 실험을 시작했다. 2000년에는 RHIC에서 충돌 실험을 시작했고 2005년엔 쿼크-글루온 플라즈마가 유체와 비슷하다는 것을 알아낸다. 2010년 LHC에서 원자핵의 충돌 실험을 시작했다.
3.4. 그 외 연구분야
중성자별의 경우, 저에너지 핵물리부터 고에너지 핵물리를 모두 적용할 수 있다. 무거운 별이 중력 붕괴로 인해 초신성 폭발을 거쳐 중성자별이 되는 과정에서 초신성 폭발 중심부에는 중성자가 굉장히 많이 있는 핵물질이 존재하며, 중성자별에서 중성자들끼리 상호작용을 하면서 만들어진 중성자 과잉 핵물질은 저에너지 핵물리의 영역이고, 중성자별 내부에 존재하는 다양한 핵물질의 상태는 케이온이나 파이온과 같은 중간자가 응축된 상태로 존재하고 있으며, 양성자와 중성자가 아닌 강입자[5]가 고밀도 상태에서 존재할 것으로 예측되기도 하며, 중성자별 중심부에는 아직 확실하지는 않지만, 온도는 낮지만 밀도가 높은 쿼크 물질이[6] 존재할 것으로 예측되는만큼, 중성자별은 핵물리학 연구의 뜨거운 감자 중 하나이다.중성자별에 대한 자세한 내용은 중성자별 문서 참고.
원자핵은 일반적으로 양성자와 중성자로 이루어져 있지만, Λ 강입자가 포함된 하이퍼핵(기묘핵)이 존재한다. 하이퍼핵은 일반적인 원자핵과 다른 만큼 구조나 붕괴, 상호작용 등을 연구하고 있다.
원자력공학 등에 응용을 목적으로 핵 자료를 측정하기도 한다. 두 개의 원자핵을 낮은 에너지에서 충돌시켜 나오는 중성자 등 부산물을 측정하거나 중성자와 무거운 원자핵을 낮은 에너지로 반응시켜 원자로에서 일어나는 중성자 포획이나 중성자 수송 등을 연구하면서 핵물리와 원자력공학 분야의 가교 역할을 하고 있다.
가속기를 연구하는 학자들[7]은 엄밀한 의미에서는 핵물리학자라고 볼 수 없지만, 가속기 빔이나 입자 가속 장치, 중성자 검출기, 전하를 띤 입자 검출 장치, 입자의 위치를 추적하는 트래커 등은 입자 및 핵물리학 지식 없이는 만들 수 없으며, 실제로도 세계적으로 가속기를 구축하는 입자물리학자나 핵물리학자가 상당수 존재한다. 참고로 국내에 건설 중인 RAON 구축에 참여하는 학자들 다수가 핵물리학자들이다. 그런데 엄연히 가속기물리학과 입자 및 핵물리학은 서로 다른 분야이다. 대학원 과정에서 처음부터 오로지 가속기물리학을 전공한 정통 가속기물리학자들도 존재한다. 따라서 입자물리학자나 핵물리학자가 가속기를 연구한다면 엄밀히 말해 연구 분야를 약간 바꾼 것이 되며, 가속기에 대한 공부를 따로 상당히 많이 해야 한다.
중성미자는 베타 붕괴의 산물이며 중성미자가 초신성 폭발에 의한 핵합성과 별의 진화에 관여하는 등 핵물리학적으로 중요한 입자이다. 나아가 베타 붕괴에는 약한 상호작용이 관여하는 만큼 기초과학연구원 등에서는 약한 상호작용을 가지고 암흑물질을 탐색하는 등 핵물리와 입자물리의 공동 연구도 이루어지고 있다.
8주기 이상 원소같이 매우 무거운 초중핵 탐색과 합성을 진행하기도 하고, 새로운 동위원소를 찾는 등 다양한 연구를 진행하고 있다.
3.5. 원자력과의 관계
흔히 원자력과 연관이 있다는 이야기를 많이 하는데, 반은 맞고 반은 틀린 이야기다. 원자력공학에서 다루는 핵자료 측정, 핵의학, 동위원소, 방사선, 핵연료 등은 핵물리학 전공자들이 연구할 수 있지만 원자로, 핵폐기물, 핵연료 재처리, 수송 이론, 핵융합[A], 플라즈마[A], 핵분열 등은 핵물리학자보다는 원자력공학자들의 영역에 가깝다. 다만 복수전공, 자격증 등을 통해서 핵물리학을 전공한 사람들이 원자력 분야로 진출하는 경우도 적지 않게 나온다.4. 유명 핵물리학자
4.1. 실존인물
[가나다 순]- 게오르기 플료로프
- 로버트 오펜하이머
- 루돌프 뫼스바워
- 마리 퀴리
- 마리아 괴페르트마이어
- 베크렐
- 벤 로위 모텔손
- 오토 한
- 어니스트 러더퍼드
- 오게 닐스 보어
- 엔리코 페르미
- 우젠슝
- 안정근 - 고려대학교 물리학과 교수. 별핵합성연구단으로 2020년에 리더 연구단에 선정되었다.
- 유인권 - 부산대학교 물리학과 교수. 고에너지 핵물리 분야의 권위자이며 LHC에서 진행중인 중이온충돌 실험에 참여 중이다.
- 이수형 - 연세대학교 물리학과 교수. 핵물리학 이론분야 권위자이다. 교육인적자원부와 학술진흥재단이 선정한 기초과학분야 국가석학 10명 중의 한명이다. "노벨상 수상자 탄생 기대" 한국 대표 석학 10人 선정
- 임상훈 - 부산대학교 물리학과 교수. LHC의 ALICE와 PHENIX 등 여러 중이온충돌 실험에 참여 중이다.
- 차동우 - 현 인하대학교 명예교수. 핵물리학, 상대성이론같은 강의록을 집필한 전공서로 유명하다.
- 하이젠베르크 - 현대물리에서 배우는 '불확정성원리'를 만드신 그 분이다.
- 한인식 - 기초과학연구원 희귀 핵 연구단 단장. 국내 핵물리학 분야의 권위자이다.
- 홍병식 - 고려대학교 물리학과 교수. 핵 대칭 에너지, 핵물질, 핵 구조 분야의 권위자이다. 현 중이온가속기이용자협회 협회장.
4.2. 가상의 인물
5. 둘러보기
[1]
우리말샘
[2]
우리말샘
[3]
top 쿼크는 쿼크와 글루온의 상호작용을 통해 강입자 안에 갇히는 현상인 강입자화가 일어날 수 없다.
[4]
예를 들면 form factor라고도 부르는 형태인자
[5]
기묘 쿼크가 포함된 하이퍼론이 존재할 것으로 유력함
[6]
양자색역학에 따르면 초전도성을 띠고 있을 것으로 추정된다.
[7]
이들을 사실 가속기물리학자라고 따로 부른다. 가속기물리학도 엄연히 물리학의 한 분과이다. 물론 가속기 연구는 역사적으로 핵물리학자들에 의해 처음 시작되었으며, 가속기 구축이 성공적으로 이루어지면서 가속기물리학이라는 새로운 분과가 생겨난 것이다.
[A]
핵융합과 플라즈마의 경우에는 원자력공학자 뿐만 아니라 플라즈마물리학자들이 다루는 분야이기도 하다.
[A]