핵물리학

Nuclear physics

핵물리학원자핵과 그 구성 요소 및 상호작용을 연구하는 물리학 분야이다.

핵물리학을 원자물리학과 혼동해서는 안 된다. 원자물리학은 원자전자를 포함한 원자 전체를 연구한다.

핵물리학의 발견은 많은 분야에서 응용을 이끌어 왔다.여기에는 핵발전, 핵무기, 핵의학과 자기공명영상, 산업 및 농업용 동위원소, 재료공학에서의 이온주입, 지질학 및 고고학에서의 방사성탄소연대측정 등이 포함된다.그러한 응용은 원자력 공학 분야에서 연구되고 있다.

입자물리학은 핵물리학에서 발전했고 두 분야는 일반적으로 밀접하게 연계되어 가르친다.원자핵물리학천체물리학에 적용하는 핵천체물리학은 별의 내부 작용과 화학 원소의 기원을 설명하는 데 매우 중요합니다.

역사

1920년대 이후, 구름실은 입자 검출기의 중요한 역할을 했고 결국 양전자, 뮤온, 카온의 발견으로 이어졌다.

원자물리학과는 다른 분야인 핵물리학의 역사는 1896년 [1]앙리 베크렐이 우라늄 [2]소금인광을 연구하면서 만든 방사능의 발견으로 시작된다.1년 후 J. J[3]. Thomson전자를 발견한 것은 원자가 내부 구조를 가지고 있다는 것을 암시했다.20세기 초에 받아들여진 원자의 모델은 J. J. 톰슨의 "플럼 푸딩" 모델이었는데, 원자는 그 안에 더 작은 음전하를 띤 전자가 내장된 양전하를 띤 공이었다.

그 후 몇 년 동안 방사능마리 퀴리, 피에르 퀴리, 어니스트 러더포드 등에 의해 광범위하게 조사되었다.세기가 바뀔 무렵, 물리학자들은 원자로부터 방출되는 세 가지 종류의 방사선을 발견했는데, 그들은 그것을 알파, 베타, 감마선이라고 명명했다.1911년 오토 한과 1914년 제임스 채드윅의 실험에서 베타 붕괴 스펙트럼은 이산적인 것이 아니라 연속적인 것임을 발견했다.즉, 감마 및 알파 붕괴에서 관측된 개별 에너지 양이 아닌 연속 에너지 범위로 원자에서 전자가 방출되었다.이것은 당시 핵물리학의 문제였습니다.왜냐하면 이 붕괴에서 에너지가 보존되지 않았다는 을 나타내는 것처럼 보였기 때문입니다.

1903년 노벨 물리학상은 베크렐과 마리 퀴리에게 공동으로 수여되었으며, 이후 방사능에 대한 그들의 연구로 인해 수여되었다.1908년 "원소의 분해와 방사성 물질의 화학에 대한 조사"로 노벨 화학상을 수상했다.

1905년 알버트 아인슈타인은 질량-에너지 등가 개념을 공식화했다.베크렐마리 퀴리의 방사능에 대한 연구는 이보다 앞서 있지만, 방사능 에너지의 원천에 대한 설명은 핵 자체가 더 작은 구성 요소인 핵자로 구성되어 있다는 발견을 기다려야 할 것이다.

러더포드가 핵을 발견하다

1906년에 어니스트 러더포드는 "라듐의 α 입자를 통과하는 물질"[4]을 출판했습니다.한스 가이거는 왕립학회와의[5] 통신에서 알파 입자를 공기, 알루미늄 호일, 금박을 통과시키는 실험을 통해 이 연구를 확장했습니다.1909년 가이거와 어니스트 [6]마스든에 의해 더 많은 연구가 출판되었고, 1910년 가이거에 [7]의해많은 연구가 출판되었다.1911-1912년 러더포드는 왕립학회에 가서 실험을 설명하고 현재 우리가 이해하고 있는 원자핵의 새로운 이론을 제안했습니다.

1909년에 출판된 [9][10][11][12]러더포드의 궁극적인 고전적 분석과 함께, 주요한 [8]선제 실험은 1909년 동안 맨체스터 대학에서 수행되었습니다.[9][13][14][15]어니스트 러더퍼드의 조수인 요하네스 "한스"[15] 가이거 교수와 학부생인 마스덴은 러더퍼드의 감독 아래 알파 입자(헬륨 4핵[16])를 금박으로 된 얇은 막에 발사하는 실험을 했다.플럼 푸딩 모델은 알파 입자가 포일 밖으로 나와 궤적이 기껏해야 약간 구부러져 있을 것이라고 예측했다.하지만 러더포드는 그의 팀에게 관찰에 충격을 준 것을 찾도록 지시했습니다: 몇 개의 입자가 큰 각도로, 심지어 어떤 경우에는 완전히 뒤로 흩어졌습니다.그는 그것을 휴지를 향해 총알을 쏘고 그것을 튕겨내는 것에 비유했다.1911년 러더퍼드의 데이터 분석과 함께, 이 발견은 원자의 러더퍼드 모델로 이어졌다. 원자는 원자의 질량의 대부분을 포함하는 매우 작고, 매우 밀도가 높은 핵을 가지고 있고, (중성자가 알려지지 않은 이후) 전하 균형을 맞추기 위해 전자가 내장된 무거운 양의 하전 입자로 구성되어 있다.예를 들어, 이 모델(현대 모델이 아님)에서 질소-14는 14개의 양성자와 7개의 전자(총 21개의 입자)를 가진 핵으로 구성되었고, 핵은 7개의 궤도를 도는 전자로 둘러싸여 있었다.

에딩턴과 별의 핵융합

1920년경, Arthur Eddington은 논문 The Internal Configuration of the [17][18]Stars에서 에서 핵융합 과정의 발견과 메커니즘을 예측했다.그 당시 별의 에너지원은 완전히 미스터리였다. 에딩턴은 아인슈타인의 방정식 E = mc2 따라 엄청난 에너지를 방출하면서 수소를 헬륨으로 융합시켰다고 정확하게 추측했다.이것은 그 당시 핵융합과 열핵 에너지, 그리고 이 주로 수소로 구성되어 있다는 사실조차 아직 발견되지 않았기 때문에 특히 주목할 만한 발전이었다.

핵 스핀 연구

러더포드 모델은 1929년 캘리포니아 공과대학에서 프랑코 라세티에 의해스핀 연구가 수행되기 전까지 꽤 잘 작동했다.1925년까지 양성자와 전자가 각각 1회전하는 것으로[citation needed] 알려졌다.±+1,2. 질소-14의 러더포드 모델에서는 총 21개의 핵 입자 중 20개가 짝을 이뤄 서로의 스핀을 취소해야 하며, 최종 홀수 입자는 1 spin2의 순 스핀으로 핵을 떠나야 한다.그러나 라세티는 질소-14의 회전수가 1이라는 것을 발견했다.

제임스 채드윅이 중성자를 발견하다

1932년 채드윅은 발터 보테,[19] 헤르베르트 베커, 일렌, 프레데릭 졸리오-퀴리에 의해 관측된 방사선이 실제로는 양성자와 거의 같은 질량의 중성 입자에 기인한다는 것을 깨달았다.같은 해에 드미트리 이바넨코는 핵에는 전자가 없고 양성자와 중성자만 있으며 중성자는 12 입자를 스핀하고 있다고 주장했는데, 이는 양성자 때문이 아니라 질량을 설명했습니다.중성자 스핀은 질소-14의 스핀 문제를 즉시 해결했다. 이 모델에서 1쌍의 양성자와 1쌍의 중성자가 각각 같은 방향으로 1⁄2의 스핀을 기여하여 최종 총 스핀을 1로 제공했기 때문이다.

중성자의 발견으로 과학자들은 핵 질량과 핵을 구성하는 양성자 및 중성자의 질량을 비교함으로써 마침내 각 핵이 가진 결합 에너지의 비율을 계산할 수 있었다.핵질량 간의 차이는 이러한 방식으로 계산되었다.핵반응을 측정했을 때, 이것들은 1934년 당시 질량과 에너지의 동등성에 대한 아인슈타인의 계산과 일치하는 것으로 밝혀졌다.

거대 벡터 보손장에 대한 프로카의 방정식

알렉산드루 프로카핵력의 질량 벡터 보손 방정식중간자장 이론을 개발하고 보고한 최초의 인물이다.노벨상 연설에서 방정식을 언급한 볼프강 파울리에게[20] 프로카의 방정식이 알려졌고, 핵물리학에서 [21][22][23][24][25]원자핵 이론을 발전시키기 위한 프로카의 방정식의 내용을 이해한 유카와, 웬첼, 타케타니, 사카타, 켐메르, 하이틀러, 프뢰리히에게도 알려져 있었다.

유카와의 중간자는 핵과 결합한다고 가정했다.

1935년 유카와 히데키[26] 핵이 어떻게 결합되어 있는지를 설명하기 위해 최초의 의미 있는 힘 이론을 제안했다.유카와 상호작용에서 나중중간자라고 불리는 가상 입자가 양성자와 중성자를 포함한 모든 핵자 사이의 힘을 매개했습니다.이 힘은 양성자 반발의 영향으로 핵이 분해되지 않은 이유를 설명했고, 매력적인 강한 힘이 양성자 간의 전자파 반발보다 더 제한된 범위를 가진 이유를 설명했습니다.나중에 파이 중간자의 발견은 그것이 유카와 입자의 성질을 가지고 있다는 것을 보여주었다.

유카와 씨의 논문으로 원자의 현대적 모형은 완성되었다.원자의 중심은 중성자와 양성자로 이루어진 꽉 찬 공을 포함하고 있으며, 중성자는 너무 크지 않으면 강한 핵력에 의해 함께 고정된다.불안정한 핵은 강력한 헬륨 핵을 방출하는 알파 붕괴 또는 전자(또는 양전자)를 방출하는 베타 붕괴를 겪을 수 있습니다.이들 중 하나가 붕괴된 후 결과핵은 들뜬 상태로 둘 수 있으며, 이 경우 고에너지 광자를 방출함으로써 지면 상태로 붕괴된다(감마 붕괴).

강한 핵력과 약한 핵력에 대한 연구는 물리학자들이 더 높은 에너지로 핵과 전자를 충돌시키도록 이끌었다.이 연구는 입자 물리학의 과학이 되었고, 그 중 크라운 보석은 입자 물리학의 표준 모델로서, 강자력, 약자력, 전자력을 기술한다.

현대 핵물리학

무거운 핵은 수백 개의 핵자를 포함할 수 있다.이것은 어느 정도 근사치에서는 양자역학적 시스템이 아닌 고전적인 시스템으로 취급될 수 있다는 것을 의미합니다. 결과 발생하는 액체 방울 [27]모델에서 핵은 표면 장력과 양자의 전기적 반발에 의해 부분적으로 발생하는 에너지를 가진다.액체 방울 모델은 핵분열 현상뿐만 아니라 질량수에 대한 결합 에너지의 일반적인 추세를 포함하여 핵의 많은 특징을 재현할 수 있다.

그러나 이 고전적인 그림에는 마리아 괴퍼트[28] 메이어와 J. 한스 D.가 개발핵껍질 모델을 사용하여 설명할 수 있는 양자역학적 효과가 중첩되어 있다. 젠슨.[29]중성자와 양성자의 특정한 "마법의" 수를 가진 핵은 껍질이 채워져 있기 때문에 특히 안정적입니다.

중성자와 양성자 쌍이 보손으로 상호작용하는 상호작용 보손 모델과 같이 핵에 대한 다른 더 복잡한 모델도 제안되었다.

ab initio 방법은 핵자와 [30]그 상호작용에서 출발하여 핵 다체 문제를 처음부터 해결하려고 한다.

현재 핵물리학 연구의 대부분은 높은 스핀과 들뜸 에너지와 같은 극한 조건에서의 핵 연구와 관련이 있다.핵은 또한 극단적인 모양(럭비공이나 심지어 와 유사) 또는 극단적인 중성자 대 양성자 비율을 가질 수 있다.실험자는 가속기에서 나오는 이온 빔을 사용하여 인공적으로 유도된 핵융합 또는 핵자 전달 반응을 사용하여 그러한 핵을 만들 수 있습니다.더 높은 에너지를 가진 빔은 매우 높은 온도에서 핵을 생성하기 위해 사용될 수 있으며, 이러한 실험은 쿼크 중성자와 프로토에서 세 개의 쿼크로 분리되지 않고 서로 섞이는 새로운 상태인 쿼크-글루온 플라즈마로 위상 전이를 만들어 냈다는 징후가 있다.ons(온스.

핵붕괴

80개의 원소는 붕괴가 관측되지 않는 안정 동위원소를 적어도 1개 가지고 있으며, 총 약 252개의 안정 핵종에 이른다.그러나 수천 의 동위원소가 불안정하다는 특징이 있다.이러한 "방사성 동위원소"는 몇 초에서 몇 조년에 이르는 시간 척도에 따라 붕괴됩니다.원자 및 중성자 숫자의 함수로 차트에 표시되며, 핵종의 결합 에너지는 안정성의 계곡으로 알려진 것을 형성합니다.안정적인 핵종이 이 에너지 계곡의 바닥을 따라 놓여 있는 반면, 점점 더 불안정해지는 핵종은 계곡 벽 위에 놓여 있습니다. 즉, 결합 에너지가 약해집니다.

가장 안정적인 원자핵은 중성자와 양성자의 구성 범위 또는 균형에 속합니다: 너무 적거나 너무 많은 중성자는 붕괴를 일으킬 것입니다.를 들어 베타 붕괴에서 질소-16 원자(양자 7개, 중성자 9개)는 생성된 지 몇 초 만에 산소-16 원자(양자 8개, 중성자 [31]8개)로 변환된다.이 붕괴에서 질소핵의 중성자는 약한 상호작용에 의해 양성자, 전자 및 반중성미자로 변환된다.원소는 다른 양성자 수로 다른 원소로 변환됩니다.

일반적으로 가장 무거운 핵에서 발생하는 알파 붕괴에서, 방사성 원소는 헬륨 핵을 방출함으로써 붕괴되고, 또 다른 원소와 헬륨-4를 생성한다.많은 경우 이 과정은 안정적인 원소가 형성될 때까지 다른 형태의 붕괴(보통 베타 붕괴)를 포함한 여러 단계를 거칩니다.

감마 붕괴 시 핵은 감마선을 방출함으로써 들뜬 상태에서 낮은 에너지 상태로 붕괴한다.원소는 프로세스에서 다른 원소로 변경되지 않습니다( 변환은 포함되지 않습니다).

더 이국적인 데코도 가능합니다(첫 번째 주요 기사 참조).예를 들어 내부 변환 붕괴에서 들뜬 핵으로부터의 에너지는 원자로부터 내부 궤도 전자 중 하나를 방출할 수 있으며, 이는 고속 전자를 생성하지만 베타 붕괴가 아니며 (베타 붕괴와 달리) 한 원소를 다른 원소로 변환하지 않는다.

핵융합

핵융합에서는 두 개의 저질량 핵이 서로 매우 밀접하게 접촉하여 강한 힘이 융합합니다.핵을 융합하기 위해서는 강한 힘이나 핵력이 핵 사이의 전기적 반발을 극복하는 데 많은 에너지가 필요합니다. 따라서 핵융합은 매우 높은 온도나 고압에서만 일어날 수 있습니다.핵이 융합할 때, 매우 많은 에너지가 방출되고 결합된 핵은 더 낮은 에너지 레벨을 가정합니다.핵자당 결합 에너지는 질량수와 함께 니켈-62까지 증가한다.태양과 같은 별들은 네 개의 양성자가 헬륨 핵, 두 의 양전자, 그리고 두 개의 중성미자로 융합함으로써 동력을 얻는다.수소의 헬륨으로의 제어되지 않은 융합은 열핵 폭주라고 알려져 있다.공동 유럽 토러스(JET)와 ITER와 같은 다양한 기관의 현재 연구의 최전선은 제어된 핵융합 반응에서 에너지를 사용하는 경제적으로 실행 가능한 방법의 개발이다.핵융합은 태양을 포함한 모든 별의 핵에서 생성되는 에너지(빛과 다른 전자기 복사 형태 포함)의 근원입니다.

핵분열

핵분열은 핵융합과 반대 과정이다.니켈-62보다 무거운 원자핵의 경우 원자당 결합 에너지는 질량수에 따라 감소한다.따라서 무거운 핵이 두 개의 가벼운 핵으로 쪼개지면 에너지가 방출될 수 있다.

알파 붕괴 과정은 본질적으로 특별한 형태의 자발적 핵분열이다.알파 입자를 구성하는 4개의 입자가 특히 서로 단단히 묶여 있어 핵분열 시 핵이 생성될 가능성이 매우 높기 때문에 이것은 매우 비대칭적인 핵분열이다.

핵분열이 자유중성자를 생성하고 중성자를 쉽게 흡수하여 핵분열을 개시하는 가장 무거운 원자핵 중 몇 개로부터 자기발화형 중성자 핵분열을 연쇄반응으로 얻을 수 있다.연쇄 반응은 물리학 이전에 화학에서 알려져 있었고, 사실 화재나 화학 폭발과 같은 많은 친숙한 과정들은 화학 연쇄 반응이다.핵분열로 생성된 중성자를 이용한 핵분열 또는 "핵" 연쇄반응은 제2차 세계대전 말기에 일본 히로시마나가사키에서 폭발한 핵발전소와 핵분열형 핵폭탄의 에너지원이다.우라늄이나 토륨같은 무거운 원자핵도 자연분열을 겪을 수 있지만 알파 붕괴에 의해 붕괴될 가능성이 훨씬 더 높다.

중성자 시작 연쇄 반응이 일어나려면 특정 조건에서 특정 공간에 관련 동위원소의 임계 질량이 존재해야 한다.최소 임계질량 조건에는 방출된 중성자의 보존과 중성자의 감속 또는 조절이 필요하다. 따라서 중성자가 또 다른 핵분열을 시작할 가능성이 커진다.아프리카 가봉의 오클로 두 지역에서는 15억 년 전에 [32]천연 핵분열 원자로가 가동되었다.자연 중성미자 방출량을 측정한 결과 지구 중심핵에서 방출되는 열의 절반 정도가 방사성 붕괴로 인한 것으로 나타났다.그러나 이 중 어떤 것이 핵분열 연쇄 [citation needed]반응에서 비롯되는지는 알려지지 않았다.

"중요한" 요소의 생산

이론에 따르면 빅뱅 이후 우주가 냉각되면서 우리가 알고 있는 일반적인 아원자 입자가 존재하게 되었다.오늘날에도 우리가 쉽게 관찰할 수 있는 빅뱅에서 만들어진 가장 흔한 입자는 양성자와 전자였다.양성자는 결국 수소 원자를 형성할 것이다.빅뱅에서 생성된 거의 모든 중성자는 빅뱅 후 첫 3분 만에 헬륨-4로 흡수되었고, 이 헬륨은 오늘날 우주에 있는 헬륨의 대부분을 차지하고 있습니다(빅뱅 핵합성 참조).

양성자와 중성자가 서로 충돌하면서 헬륨을 넘어 비교적 적은 양의 원소들(리튬, 베릴륨, 그리고 아마도 붕소)이 빅뱅에서 생성되었지만, 오늘날 우리가 보는 모든 " 무거운 원소들"은 시리즈 O 동안 별 안에서 생성되었다.양성자-양성자 사슬, CNO 사이클트리플 알파 프로세스와 같은 핵융합 단계.별의 진화 과정에서 점점 더 무거운 원소들이 생성된다.

에너지는 철보다 작은 원자를 포함하는 핵융합 과정에서만 방출됩니다. 왜냐하면 핵자당 결합 에너지는 철(56개의 핵자) 주위에서 최고점에 도달하기 때문입니다.핵융합에 의한 무거운 핵의 생성은 에너지를 필요로 하기 때문에, 자연은 중성자 포획 과정에 의존합니다.중성자는 (전하가 없기 때문에) 핵에 의해 쉽게 흡수된다.무거운 원소는 느린 중성자 포획 과정(이른바 s-과정) 또는 고속 또는 r-공정에 의해 생성된다.s 과정은 열로 맥동하는 별(AGB 또는 점근거성가지별)에서 발생하며 납과 비스무트의 가장 무거운 원소에 도달하는 데 수백 년에서 수천 년이 걸립니다.r-과정은 고온, 높은 중성자속 및 방출 물질의 필수 조건을 제공하는 초신성 폭발에서 발생하는 것으로 생각된다.이러한 별의 조건은 중성자 포집 속도를 매우 빠르게 하며, 중성자가 풍부한 종들이 매우 무거운 원소들로 베타 붕괴되고, 특히 닫힌 중성자 껍데기를 가진 보다 안정적인 핵종에 해당하는 소위 대기 지점들(매직접 중성자 포집 속도(매직 넘버)

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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참고 문헌

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외부 링크