핵물리학

핵물리학(nuclear physics)은 원자핵을 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 비슷한 이름 때문에 종종 원자물리학(atomic physics)과 혼동되지만, 두 분야는 서로 다릅니다.

핵물리학의 기원에 대해서는 여러 의견이 있습니다. 1896년 앙리 베크렐이 방사선을 발견하면서 시작되었다고 보는 견해도 있고, 1911년 어니스트 러더포드가 원자가 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸는 전자로 구성되어 있음을 밝힌 순간을 핵물리학의 출발점으로 보는 견해도 있습니다.

오늘날 핵물리학의 연구 영역은 더욱 확장되었습니다. 핵 자체의 특성, 핵자 간 상호작용, 경입자와 중간자, 쿼크와 글루온의 상호작용 등도 연구 대상에 포함되며, 나아가 표준 모형의 검증 도구로도 사용되고 있습니다.

역사 

핵물리학은 원자핵을 연구하는 분야로, 원자물리학과는 다른 독립된 학문입니다. 그 기원은 1896년 앙리 베크렐이 방사선을 발견하면서 시작되었다고도 하며, 1911년 어니스트 러더퍼드가 원자가 양전하를 띤 핵과 이를 둘러싸는 전자로 구성되어 있음을 밝혀내면서부터라고도 합니다.

20세기 초, 톰슨의 원자 모형은 원자가 내부 구조를 가진다는 개념을 제시했으며, 이 시기에 알파선, 베타선, 감마선이라는 세 가지 방사선이 발견되었습니다. 1911년, 오토 한과 1914년 제임스 채드윅의 실험은 베타 붕괴 스펙트럼이 연속적임을 밝혀냈으며, 이는 당시 에너지 보존 법칙을 둘러싼 논쟁을 일으켰습니다.

1905년, 아인슈타인은 질량-에너지 등가성을 제시했고, 이후 러더퍼드의 팀은 알파 입자 산란 실험을 통해 핵이 매우 작고 밀집된 구조라는 사실을 확인했습니다. 이 발견은 러더퍼드의 원자 모형으로 이어졌으며, 원자는 양성자와 전자로 구성되고, 전자는 핵 주위를 도는 형태로 설명되었습니다.

중성자의 발견은 1932년 제임스 채드윅에 의해 이루어졌습니다. 이는 원자핵에 있는 중성자가 양성자와 질량이 비슷하지만 중성이며, 1/2의 스핀을 가진다는 사실을 밝혔고, 이는 원자핵의 결합 에너지와 핵의 스핀 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 했습니다.

1935년 유카와 히데키는 강한 상호작용을 설명하기 위해 중간자 이론을 제시했고, 이후 파이온의 발견으로 이 이론이 입증되었습니다. 이를 통해 핵자 간 상호작용이 전자기 상호작용보다 더 제한된 범위에서 작용하는 이유가 설명되었습니다.

현대 핵물리학은 원자핵의 붕괴, 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마 붕괴 등 여러 붕괴 과정과 핵 상호작용을 연구하는데, 이 연구는 표준 모형과 소립자 물리학의 발전에도 중요한 기여를 했습니다.

현대핵물리학

중핵은 수백 개의 핵자를 포함할 수 있으며, 그 움직임은 양자역학보다는 고전적인 뉴턴 역학으로 설명될 수 있는 부분도 있습니다. 물방울 모형에 따르면 핵은 표면 장력과 양성자 간의 전기적 반발로 인해 에너지가 증가하며, 이 모형은 핵분열과 결합 에너지와 같은 핵의 여러 특징을 설명할 수 있습니다.

그러나 양자역학적인 효과가 이 고전적인 설명에 더해집니다. 마리아 메이어가 발전시킨 핵 껍질 모형에서는 중성자와 양성자의 특정 수가 껍질을 가득 채우면 핵이 특히 안정해진다고 설명합니다. 또 다른 정교한 모델로는 상호작용 보손 모델이 있으며, 이는 중성자와 양성자의 쌍이 보손처럼 상호작용한다는 이론입니다.

오늘날 핵물리학의 많은 연구는 극한 상황에서의 핵을 다루고 있습니다. 예를 들어, 들뜬 에너지나 높은 회전 상태의 핵, 혹은 중성자-양성자 비율이 비정상적인 핵의 형태 등이 연구되고 있습니다. 이러한 극한 핵은 입자 가속기에서 이온 빔을 사용하여 만들어지며, 인공적으로 유도된 핵분열이나 핵자 변환 반응으로 생성될 수 있습니다.

더 높은 에너지의 입자 빔은 핵을 매우 높은 온도에서 실험할 수 있게 하며, 이를 통해 쿼크-글루온 플라즈마 상태라는 새로운 물질 상태가 생성되었다는 증거도 발견되었습니다. 이 상태에서는 쿼크들이 양성자나 중성자 내부에서 고정된 것이 아니라 자유롭게 섞이는 특성을 가집니다.

핵붕괴
약 80개의 원소는 적어도 하나의 안정한 동위원소를 가지고 있으며, 그 수는 약 254개에 달합니다. 그러나 수천 개의 불안정한 동위원소도 존재하며, 이들은 짧게는 수천분의 1초에서 길게는 수억 년에 이르기까지 서서히 붕괴합니다. 핵의 안정성은 중성자와 양성자 비율에 따라 달라지며, 비율이 맞지 않으면 원자가 붕괴됩니다.

예를 들어, 베타 붕괴에서는 질소-16(N-16) 원자가 생성된 후 수 초 만에 산소-16(O-16)으로 바뀝니다. 이때 중성자는 양성자, 전자, 반중성미자로 변환됩니다. 알파 붕괴에서는 방사성 원소가 헬륨 원자핵을 방출하며 붕괴하고, 감마 붕괴에서는 들뜬 상태의 핵이 감마선을 방출하며 더 낮은 에너지 상태로 변합니다. 이 과정에서 원소는 변화하지 않고 에너지만 방출됩니다.

내부 전환 붕괴와 같은 다른 붕괴 과정도 존재하며, 여기서 핵에서 방출된 에너지가 궤도 전자를 떼어내는 데 사용될 수 있습니다. 이는 베타 붕괴와는 달리 한 원소가 다른 원소로 변하지 않고, 전자가 방출되는 특징이 있습니다.

핵융합

핵융합은 두 개의 저질량 핵이 매우 가까워져 강력에 의해 결합하는 과정입니다. 그러나 이 두 핵이 가까워지려면, 그들 사이의 전기적 반발력을 극복할 수 있는 큰 에너지가 필요합니다. 따라서 핵융합은 매우 높은 온도나 압력에서만 발생할 수 있습니다. 일단 융합이 시작되면, 대량의 에너지가 방출되고, 결합된 핵은 더 낮은 에너지 상태를 가집니다. 핵자의 결합 에너지는 질량수가 증가할수록 증가하며, 그 최고점은 니켈-62(Ni-62)입니다.

태양과 같은 항성은 네 개의 양성자가 헬륨 핵으로 변환되는 융합 과정을 통해 에너지를 생성합니다. 이 과정에서 수소가 헬륨으로 변환되는 핵융합이 통제되지 않을 경우, 열핵 폭주로 이어집니다. 자연에서 발생하는 핵융합은 태양을 포함한 항성들에서 에너지와 빛을 생성하는 근원입니다.

핵분열

핵분열은 핵융합과 반대되는 과정입니다. 니켈-62보다 무거운 핵은, 질량수가 증가함에 따라 결합 에너지가 감소합니다. 그래서 무거운 핵이 더 가벼운 두 핵으로 분열될 때 에너지가 방출됩니다.

알파 붕괴는 자발적인 핵분열의 한 형태로, 네 개의 입자로 구성된 알파 입자가 생성될 확률이 매우 높기 때문에 불균형한 과정으로 진행됩니다. 핵분열 과정에서는 중성자가 생성되며, 일부 무거운 핵은 쉽게 중성자를 흡수하여 연쇄 반응을 일으킵니다. 이 연쇄 반응은 핵 발전소와 핵무기의 에너지 원천입니다.

연쇄 반응을 유도하려면 특정 조건이 충족되어야 하며, 이는 임계 질량이라고 불립니다. 임계 질량의 조건은 중성자의 단면적과 감속재에 의해 결정됩니다. 이러한 자연적인 핵분열은 아프리카 가봉에서 약 150만 년 전에 발생한 자연 핵분열 원자로에서 관찰되었습니다. 또한 지구 내부의 열의 절반은 방사성 붕괴에서 발생하는 것으로 추정됩니다.

무거운 원소의 생성

빅뱅 이론에 따르면, 빅뱅 후 우주가 냉각되면서 중성자, 양성자, 전자가 형성되었습니다. 이들 중 가장 흔한 입자는 양성자와 전자이며, 양성자는 수소를 형성합니다. 빅뱅 후 첫 3분 동안 대부분의 중성자는 헬륨-4에 흡수되었습니다. 이는 오늘날 우주에서 발견되는 헬륨의 주요 기원이 됩니다.

리튬, 베릴륨, 약간의 보론은 중성자와 양성자가 충돌하며 생성되었지만, 그 외의 더 무거운 원소들은 항성 내부에서 융합 과정을 통해 형성되었습니다. 예를 들어, 양성자-양성자 연쇄 반응, CNO 사이클, 트리플 알파 과정 등을 통해 더 무거운 원소들이 생성됩니다.

핵자의 결합 에너지가 철을 기준으로 최대치에 도달하므로, 이 지점 아래에서는 핵분열을 통해 에너지가 방출됩니다. 하지만 철보다 무거운 원소는 핵융합이 아닌 중성자 포획 과정으로 생성됩니다. 중성자는 전하가 없기 때문에 핵에 쉽게 흡수됩니다. 무거운 원소는 느린 중성자 포획 과정(s 과정) 또는 빠른 중성자 포획 과정(r 과정)으로 생성되며, s 과정은 AGB 항성에서 발생하고, r 과정은 초신성 폭발에서 발생합니다.