1. 원소 주기율표
원자가 소립자가 아니라는 것은 러더퍼드가 원자핵을 발견한 이후에야 분명해졌지만, 그 이전에도 원자가 분해될 수 없는 소립자가 아니라는 증거, 즉 원소 주기율표가 있었습니다.
원소 주기율표는 당시 증가한 원소의 수에 따라 원자량 순으로 배열한 원소 목록입니다.
원자를 배열한 결과 비슷한 성질을 가진 원자가 주기적으로 나타나는 것을 발견했다.
그리고 당시 원소 주기율표에서 아직 발견되지 않았던 빈 세포의 경우에는 그 세포에 해당하는 원자의 성질을 미리 수집할 수 있었기 때문에 그러한 원자를 찾기 위한 집중적인 실험을 통해, 빈 셀 찾기에서 아무 것도 빠뜨리지 않고 원자를 찾을 수 있었습니다.
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여러 개의 서로 다른 원자가 유사한 특성을 가진 것으로 분류되면 그 원자 내부에 무언가가 있다는 강력한 증거입니다.
따라서 원소 주기율표 자체는 원자가 내부 구조가 없는 기본 입자가 아니라 내부에 더 기본적인 다른 입자를 포함하는 복합 입자라는 증거입니다.
내가 말했듯이 소립자가 몇 개밖에 없었을 때 사람들은 매우 행복했습니다.
자연의 모든 물질이 단지 세 개 또는 네 개의 입자로 구성되어 있다는 것이 얼마나 놀라운 일입니까? 그러나 세월이 흐르면서 이 소립자에 해당하는 입자가 점차 더 많이 발견되었고 결국 그 수는 수백 개에 이르렀다.
그리고 이번에는 이 소립자를 몇 가지 기준에 따라 분류하여 비슷한 성질을 가진 소립자로 분류할 수 있었습니다.
그게 무슨 뜻이야?
– 새로운 기본 입자는 우주선 실험에서 처음 발견되었습니다.
우주 광선은 우주를 날아다니는 작은 입자입니다.
우주선은 대부분 양성자이며 매우 높은 운동 에너지를 가지고 있습니다.
상층 대기로 떨어지면서 공기 분자와 충돌하여 새로운 입자를 생성합니다.
이 새로운 입자들은 땅에 떨어지며, 1930년대부터 1950년대까지 사진 건판을 기구 위에 올려놓고 높은 곳에 두어 떨어지는 입자를 감지하는 실험이 유행했다.
뮤온은 우주선 실험을 통해 발견된 최초의 입자 중 하나입니다.
뮤온은 질량이 약 120MeV인 입자로 질량을 제외하면 전자와 성질이 같고 수명이 10~6초 정도인 매우 짧은 입자이다.
뮤온이 발견되었을 때 원자핵이 어떻게 그렇게 작은 공간에 그렇게 많은 양성자를 포함할 수 있는지에 대한 의문이 제기되었습니다.
그 당시에는 중력과 전기력이라는 두 가지 기본 힘만 알려져 있었기 때문에 만유인력은 중력이지만 그 힘이 너무 약해서 양성자를 핵 속에 가두는 힘이라고는 상상할 수 없었다.
그러나 모든 양성자는 양전하를 띠므로 양성자 사이의 전기력은 반발력입니다.
또한 원자핵은 매우 작기 때문에 두 양성자 사이의 거리가 매우 작아야 하며, 쿨롱의 법칙에 따르면 두 전하 사이의 거리가 매우 작을 때 전기력으로 작용하는 반발력은 매우 커야 한다.
따라서 원자핵에 여러 개의 양성자를 갖기 위해서는 양성자의 전하로 인한 매우 큰 반발력보다 더 큰 힘으로 양성자를 함께 붙들 수 있는 양성자 사이의 인력이 있어야 합니다.
2. 원자력이란?
핵의 존재는 사람들이 그것이 무엇인지 전혀 모를 정도로 양성자 사이에 인력이 있음에 틀림없지만 양성자 원자핵 사이에 매우 강한 인력이 있다고 믿을 수밖에 없습니다.
그리고 그 힘이 반드시 만유인력이나 전기력일 필요는 없기 때문에 세 번째 기본 힘이 있어야 한다고 생각했습니다.
그런데 이 힘은 전기력보다 더 강할 것으로 예상되었는데 우리 주변에서는 전혀 관찰되지 않는 것이 이상했다.
이것은 이러한 힘이 매우 짧은 거리에서만 작용한다고 상상해야만 설명할 수 있습니다.
사람들은 이 힘을 핵력이라고 부르며 핵력이 무엇인지 연구하기 시작했습니다.
당시 일본의 물리학자 유가와(Yugawa)는 핵력이 아주 짧은 거리에서만 작용하려면 이 핵력을 매개하는 입자가 있어야 하므로 전기력은 광자에 의해 매개된다고 생각했다.
. Yukawa는 전력과 마찬가지로 원자력에도 중간 입자가 있을 것이라고 예측했습니다.
그러나 전기력은 매우 먼 거리에 걸쳐 작용하는 힘이기 때문에 전기력을 부여하는 입자의 질량은 0인 것으로 알려져 있었다.
이 점에서 Yugawa는 핵력을 매개하는 입자가 일정한 질량을 가져야 한다고 제안했습니다.
또한 Yukawa는 핵력을 매개하는 입자의 질량을 계산했습니다.
핵력이 작용하는 영역은 핵의 내부만큼 작기 때문에 그 정도의 거리에서만 힘이 작용한다면 각 입자의 질량은 약 120MeV가 되어 불확정성 원리를 만족할 것으로 예측되었다.
이 제안 직후에 106 MeV의 질량을 가진 뮤온이 발견되었습니다.
뮤온이 화제가 된 이유다.
그러나 발견된 뮤온의 성질을 면밀히 조사한 결과 유가와가 제안한 목적에 부적합한 입자라는 것이 밝혀졌다.
나중에 자세히 알아보겠지만 회전하지 않는 소립자도 각운동량을 가지고 있는데 이를 고유 스핀이라고 합니다.
이 고유 스핀은 소립자를 분류하는데 매우 중요한 변수이다.
덧붙여서, 소립자의 고유 스핀 값은 1/2 곱하기 반 홀수 곱하기 1 = 1/27 나누기 플랑크 상수 2배인 7.3/2 배입니다.
5/2배 등 또는 1의 정수배의 0배. 1x, 2x 등 또는 둘 중 하나. 하프 트레인 배수인 입자는 구체적으로 페르미온이라고 하며 정수 배수인 입자는 구체적으로 보손이라고 합니다.