BBC 다큐멘터리 ATOM. 2부-1탄

ATOM 2부-1탄

2012년 12월 30일 일요일

오전 12:02

   

   

BBC 다큐멘터리. ATOM (원자)

제 2부 - 우주의 열쇠

JIM AL KHALILI ,핵물리학 교수, SURREY 대학교

   

   

   

인류의 위대한 업적 중 하나는

이 질문에 대한 해답을 어느 정도 찾은 것입니다.

   

재미있는 사실은

모든 것을 포괄하는 가장 큰 개념인 우주를 탐구하는 일은

물질의 가장 작은 단위의 입자들을 연구하면서 이해하게 됐다는 것입니다.

   

우리는 원자의 내부를 들여다 보면서

원자 외부까지 설명 할 수 있음을 깨달았습니다.

   

   

세상의 모든 것은 원자라는 작은 단위로 이뤄져 있습니다.

그러나 원자의 존재가 밝혀진 것은

20세기 초반이었습니다.

이제서야 고작 100년이 지난 완전 쌔삥이죠!

   

그리고 사람들은 원자의 존재자체에 여러 번 충격을 받았죠.

   

첫 번째 충격은 원자의 크기였어요

지름이 고작 10억분의 1미터도 되지 않는 엄청나게 작은 크기였고

모래 한 알보다 수 조 배나 더 작았습니다.

   

   

우주는 엄청나게 광활하고 원자는 상상이상으로 작은데

우주 전체의 원자의 수가 엄청나게 큰 수 라는 것은 당연한 일 이겠지요?

   

10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

   

이만큼의 원자가 있습니다.

1뒤에 0이 70개나 달린...

우리의 수 체계로는 "100무량대수"라는 엄청나게 큰 수 입니다.

   

참고자료 : 큰 수 단위 와 무량대수

   

   

   

이 92가지 종류의 원자를 우리는 "원소"라고 부릅니다.

산소, 철, 탄소, 주석, 금... 등등

우주의 모든 것

별, 행성, 산, 바다, 동물, 인간...

모든 것이 원자의 조합으로 만들어졌습니다.

   

우리가 우주의 원자 수와 그 종류를 알 뿐만 아니라,

왜 원자가 존재하는지 아는 것은 인류의 위대한 성과입니다.

   

우리는 이제 수 많은 원자 하나하나가

어떻게 생겨났는지 알고 있습니다.

   

그 위대한 성과...

   

지금부터 시작합니다.

   

   

라듐 - 1898년... 마리 퀴리가 발견한 방사능 물질

   

라듐을 발견 한 당시 이 발견은 엄청난 사회적 이슈였습니다.

과학계에서만 이슈가 된 것이 아니고, 전 세계적인 이슈였습니다.

   

그냥 보통의 금속덩어리처럼 보이는 라듐

하지만 보이는 것처럼 평범하지 않은 라듐.

라듐은 당시의 모든 과학법칙을 무시하는 물질이었습니다.

   

하긴... 평범하게 생긴 놈이 성격도 평범하면 그게 이슈가 되겠어요?

생긴 건 평범한데 성격이 ㅈㄹ맞아야 이슈가 되지...

   

   

   

라듐에서 방출하는 이 강력한 에너지는

radio wave (전파)와 비슷했기 때문에

퀴리는 이 라듐에서 방출되는 에너지를

radioactive (방사능)라고 불렀습니다.

   

라듐에서 방출되는 에너지는 전파와 비슷했지만

그 세기는 전파의 수백만 배 강했습니다.

   

게다가 에너지를 무한하게 가지고 있는 것처럼 보였습니다.

   

   

석탄으로 세상이 움직이던 시대에

석탄보다 더 큰 에너지를 가진 물질의 등장!

   

사람들은 라듐에 관심을 가질 수 밖에 없었습니다.

   

   

이렇게 사회적으로도 라듐의 인기는 대단했지만

과학계에서도 라듐은 가장 흥미로운 대상이었습니다.

   

   

   

그런데... 1919년
이렇게 비싼 라듐이 비싼 값을 하는 일이 또 하나 벌어집니다.

   

환타지 세계의 마법사들이나 가능한 마법

바로 연금술이 방사능으로 인해 가능해졌습니다.

   

   

   

연금술은 실재로 과학자들이 관심을 가진 과학의 한 분야였고

많은 과학자들이 물질을 변환시키고 싶어했지만...

그런 노력들은 모두 실패했습니다.

   

그런데!

   

1919년 우연히 현자의 돌이 발견됩니다.

   

어디서? 당연히 투명드래곤의 레어에서.......는 아니고

맨체스터 대학 실험실에서 연금술의 비밀이 밝혀집니다.

   

최초의 진정한 연금술사

그는 바로 러더포드였습니다.

   

   

   

보통공기에는 수소가 거의 없는데...

밀폐된 공간에 라듐님을 그냥 보관 해 뒀을 뿐인데...

수소가 생겼다니!

   

이것은 전형적인 밀실 사건입니다.

즉!!!

   

   

이 안에 스파이가 있어!!!

저 초록색 놈이 문제야

방사능 같은 놈!

   

암튼 이 문제를 풀기 위해 러더포드가 나섰습니다.

   

   

러더포드는 질소를 산소와 수소 둘로 변화시켰습니다.

   

   

각종 신문과 언론에서는 러더포드를 최초의 연금술사로 찬양했습니다.

   

그러나 사실 과학계에서 러더포드의 실험이 갖는 의미는

마법과 같은 연금술의 신비로움보다 훨씬 더 큰 의미를 가지고 있었습니다.

   

이 실험이 보여준 것은

단순히 원자의 내부가 아니라

원자 중심에 있는 이상한 물체,

원자의 작은 심장.

   

원자핵이었습니다.

   

네 ^^ 1부에서 러더퍼드 산란실험 한 것 기억나시죠?

그 실험으로 원자핵이 발견 된 것입니다.

   

이 다큐멘터리...

똑같은 내용 또 써먹네요 ㅡ.ㅡㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ

   

아인슈타인이 브라운 운동으로 원자의 존재와 크기를 증명 한 뒤

러더포드가 방사선을 이용해 알파입자 산란실험을 하기 이전까지

과학자들은 원자의 크기 외에는 거의 아는 것이 없었습니다.

   

원자핵을 발견한 러더포드와 동료 연구자들은

원자핵의 존재를 밝혀내고

그 크기는 10억분의 1미터라고 계속 얘기 했죠?

   

저도 그냥 멍 때리고 다큐 볼 때는

같은 내용 반복되는지도 모르고

그냥 완전 대박 쩌는 다큐구나~~했는데 ㅋㅋㅋ

똑같은 내용이 또 나오니까 멘붕오네요 ㅋㅋㅋㅋ

   

암튼 ㅋㅋㅋㅋ

   

러더포드는 마치 태양 주변을 행성들이 도는 것처럼

아주 작은 원자 핵 주위를 전자들이 돌고 있다고 생각했습니다.

   

   

이거 1부에서 본 그림이죠??ㅋㅋㅋ

   

그럼 이제 러더포드가 생각하는 원자는 어떤 모양일지 알아봅시다.

   

   

러더포드는 과학에 대해

예리한 직관력과 실용적인 접근능력이 뛰어났습니다.

즉,

복잡한 수학을 싫어했습니다 ㅋㅋ

   

원자핵에 대해서 러더포드는

잘 들어 맞는 간단한 모형을 찾았습니다.

   

러더포드가 찾은 핵의 모형은

당구공처럼 단단한 구가 모여있는 것 같은 모형이었습니다.

   

   

이것이 러더포드의 이론으로

원소는 원자핵에 모여있는 양성자 숫자로 정의된다는 것 입니다.

   

이 당구공 모형은 너무 간단하고 우아하며

우주의 모든 것이 어떻게 만들어졌는지

설명하고 있습니다.

   

그런데....

   

   

러더포드의 원자 이론을 송두리채 뒤 엎을만한 문제점을

러더포드의 제자 중에 한 명인 프란시스 에스톤이 발견합니다.

   

에스톤은 야외활동을 좋아하는 활발한 성격이었습니다.

스키, 자동차 경주, 파도타기를 좋아했지만

이런 활동들보다 실험실에 더 끌리게 됩니다.

   

에스톤은 캠브리지 대학에서 놀라운 장비를 발명했는데,

그 발명품은 지금 캐번디쉬 연구소에 있습니다.

   

   

전하를 띈 물체가 자기장 방향에 수직으로 입사하면

원 운동을 하는데

그 이유는 운동방향과 자기장 방향에 모두 수직인 방향으로

힘을 받기 때문입니다.

   

우리는 이 힘을 로렌츠 힘 이라고 합니다.

   

   

아래 그림을 참고 해 주세요

   

출처 : http://phys.kongju.ac.kr/abc/06.pdf

   

   

   

애스톤의 실험장치에서도 로렌츠 힘이 대전된 원자를 휘게 하므로

로렌츠 힘이 구심력인 것 입니다.

   

로렌츠힘은 대전 입자에 가해지는 전기장과 자기장의 세기와

대전입자의 전하량과 속도로 계산 가능하고

   

일반적으로 구심력은 입자의 회전반경, 입자의 질량, 입자의 속도로

계산이 가능합니다.

   

즉, 외부에서 전기장, 자기장의 값을 조절하고

입자의 속도, 회전반경을 측정하면

입자의 질량을 알 수 있습니다.

   

즉, 에스톤의 실험장치 끝에 인화지를 붙여두면

전자가 얼마나 휘어서 도달했는지를 측정 할 수 있고

휘어진 정도를 이용해 계산하면

대전입자의 질량을 알 수 있었습니다.

   

즉, 에스톤 분광기는

대전입자의 흐름을 "질량에따라" 분리하기 때문에 분광기가 된 것 입니다.

   

분광기는 "빛을 분리하는 기계"라는 뜻 인데...

알파입자의 흐름도 우리는 알파선 이라고 하잖아요?

대전입자의 흐름도 일종의 전자기파 즉, 빛으로 보면

이런 이름이 붙는 것을 이해 할 수 있을겁니다.

   

   

이것에 대한 해답을 찾기 까지 12년의 세월이 걸렸습니다.

러더포드는 모든 힘을 다 해 이 문제를 풀려고 했습니다.

   

하지만 정작 이 문제를 해결 한 사람은

영국 북부 보통 집안 출신의 제임스 채드윅 이었습니다.

   

   

이 장치...어떤 원리일까요?

   

   

채드윅은 이 작은 장치를 통해

중성자를 발견 합니다.

   

   

   

1932년

드디어 원자의 가족들이 다 밝혀졌습니다.

   

과학자들은 우주의 모든 원자는

세 요소로 만들어졌다고 선언했습니다.

   

그 세 요소는

핵 주위를 회전하는 조그마한 입자인 전자와

핵을 이루는 양성자, 중성자입니다

   

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있고

전자는 원자 핵 주위를 돌고 있고

원자는 대부분 빈 공간이다

   

이런 사실이 밝혀지면서

드디어 본격적인 핵 물리학이 시작됩니다.

   

기존의 과학적 논리와 이론이 모두 무시되던 영역

그 신비로움을 탐구하기 위한 발판이

드디어 마련 된 것 입니다.

   

과학자들은 매우 들떴습니다.

얼마나 좋았으면 중성자의 발견을 축하하는

뮤지컬을 만들기도 했습니다.

   

뮤지컬의 주인공이 중성자란 말입니다.

예나 지금이나...

과학자들은 약을 빨고 사나봐요 ㅡ.ㅡ

   

저도 이만 약 빨 시간이 돼서....

나가보겠습니다 ^^

   

다음시간에는 중성자 발견 이후에 또 다시 터져버린

원자 핵의 문제점을 들고 돌아오겠습니다.

   

2013년 새해 복 많이 받으세요~♥

   

Microsoft OneNote 2010을(를) 사용하여 작성했습니다.
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