우주의 4가지 힘 : 강력(핵력) - 약력(약한 상호작용) - 전자기력(전자기상호작용) - 중력
중력은 핵력의 1/10^40이다. 전자기력은 작은 막대자석 하나만으로도 중력을 이기며 바늘을 들어올릴수 있다.
그런데, 별과 별 사이에 작용하는 힘은 오로지 중력이다.
구리선에 전기를 흘려주면 자석이 된다.
맥스웰은 전기와 자기에 관한 독립된 4가지의 방정식을 만들었다. 이 방정식을 결합했더니, 어떤 속도가 나왔다.
전기장의 축과 자기장의 축에서 각각 직각방향으로 전자기파(전파)가 나온다. 이 전자기파의 속도가 빛의 속도다.
전자기장을 응축하면 알갱이인 광자다.
광자photon가 빛의 속도를 낼 수 있는 것은 질량이 0이기 때문이다.
빛은 별에서 만들어져 나온다.
별은 늘 궁금한 대상이었다. 궁금증도 많이 해소되었다. 다른 사람에게 설명할 수 있을까.
양성자 H+는 수소원자에서 전자가 떨어져 있는 상태다.
별의 중심온도는 천만도가 넘기 때문에 수소원자핵이 전자를 가둬둘 수 없는 상태가 된다.
전자는, 자유전자다.
그래서 별속의 양성자는,
빅뱅과 함께 쏟아져나온 양성자는 수소원자핵만을 가지고 있는 H+(proton)다.
베타붕괴는,
양성자(proton)와 중성자(neutron)가 상호전화를 하면서 전자(양전자 또는 음전자)를 방출하는 것을 말한다.
양의 베타붕괴는, 양성자가 양전자를 배출하고 중성자가 되는 과정이고,
음의 베타붕괴는, 중성자가 음전자를 배출하고 양성자가 되는 과정이다.
양의 베타붕괴는, 흡열반응으로 별속에서 일어나며,
음의 베타붕괴는, 발열반응으로 자연스런 변화다. 무거운 중성자가 전자를 방출하고 안정된 양성자가 된다.
양의 베타붕괴는,
양성자 두개가 '강력'으로 결합하여 중수소(D, nH)가 되는데,
하나의 양성자가 중성자로 변하면서 양전자(e+, positron)와 중성미자(v)를 방출한다.
하나의 양성자의 전하량은, 중성자(n)의 전하량과 양전자(e+)의 전하량의 합과 같다.
하나의 양성자의 각운동량은 중수소(nH)와 중성미자(v)의 각운동량을 합한것과 같다.
양성자 두개가 서로 같은 + 전하인데, 서로 밀어내지않고 결합하는 것은,
핵크기만큼 가까워질때 강력이 출현하기 때문이다.
[ 베타붕괴 beta decay에 대하여 ]
1. 별은 빅뱅과 함께 만들어진 양성자proton의 덩어리다. proton <= protos 첫번째
2. 별의 양전자positron와 전자electron가 충돌하여 100% 빛으로 전환되었다.
3. 햇님으로 설명하자면, 햇님의 중심에서 빛이 만들어졌다.
4. 햇님은 플라즈마 상태인데, 햇님의 중심에서 만들어진 빛(감마선 γ-ray)이 햇님을 빠져나와야 지구에 도달한다.
5. 빛이 지름 70만km의 태양을 빠져나오는데, 백만년이 걸린다.
6. 빛(감마선, γ-ray )이 빠져나오면서 에너지를 잃어 빛(X-ray - 자외선 - 가시광선 - 적외선)이 되어 지구로 날아온다.
7. 햇님밖으로 빠져나온 빛이 지구에 도달하는데는 8분밖에 걸리지 않는다.
성간물질과 양성자proton이 영하 200도의 온도에서 서서히 뭉치면, 별이 만들어진다.
어떻게 양전자positron가 만들어지는가?
그 과정을 설명하는 것이 베타붕괴다. 파올리가 예상했다.
힐버트의 제자인 네텔이라는 독일의 여성수학자가 '네텔의 정리'를 발표했는데,
전하보전의 법칙(질량보전, 에너지보전, 각운동량보전)을 말한다.
세마science가 우주의 원리로 추정(?)하는, 대칭의 원리(법칙)다.
1. 양성자proton은 H+다.
2. H+가 천만도의 고온상태에서 또다른 H+와 충돌하면, H+ 하나가 중성자n로 변하면서 결합한다.
중성자 neutron / 중수소 D( Deuterium, Hn : 양성자와 중성자가 결합한 모습)
3. 이때 전하량 보전을 위해 양전자(반전자 positron ; 전자의 질량을 가지며 + 전하를 띄는 입자)이 만들어진다.
4. 이때 운동량 보전(1%)을 위해 중성미자neutrino(v)가 만들어진다.
별속에서는 상상을 초월할 정도의 중성미자가 만들어진다.
5. 양성자H+와 중성자n이 '강력'으로 결합된 상태를 중수소(무거운 수소)라 한다. D deuterium = nH(학계의 표기가 아니라 무일이 만든 표기다)
6. 중수소가 H+와 충돌하면 두개의 H+와 하나의 중성자로 구성된 헬륨 동위원소가 된다 : nHe
7. 헬륨 동위원소 두개가 충돌하여 결합하면 하나의 헬륨과 두 개의 양성자가 된다. nHe + nHe => He + 2H+
이상의 과정이 무한히 반복(p-p chain)되면서 별은 빛을 낸다.
양성자와 양성자가 충돌하여 핵융합이 일어나고, 양전자를 배출하는 것을 베타붕괴라 하고 한다.
별은 양성자 즉 수소hydrogen의 핵융합 반응이 사라질 때까지 계속 빛을 내며 반짝거린다.
* 동위원소 : 양성자수는 같은데, 중성자수가 다른 원소들
* 별빛의 탄생 : 핵융합 과정에서 만들어진 양전자positron와 원자핵 주변을 돌던 전자electron가 충돌하여 빛으로 변한다. 전자와 양전자가 충돌하여 100% 빛(γ-ray)으로 변하는 현상은, 유일하게 에너지 손실이 없는 변화다.
* 지름 70만km의 햇님에서 만들어진 빛이, 햇님 내부의 플라즈마상태에서 벗어나오며 에너지를 잃는다.
: γ-ray -> X-ray -> 자외선(9%) -> 가시광선(40%) -> 적외선(50%)
* 햇님의 중심에서 만들어진 γ-ray가 플라즈마상태의 내부를 빠져나오느라 에너지를 잃어,
자외선, 가시광선과 적외선이 되어 지구에 도달한다.
* 햇님을 빠져나오는데는 백만년이 걸리고, 햇님에서 지구에 오는 시간은 불과 8분이다.
[ P-P chain과 베타붕괴 : 양성자 2개에서 시작된 반응이 알파입자(He)를 생성하고 양성자 2개를 배출 ]
① H + H -> nH + e+ + 중성미자(v) : 베타붕괴(양전자 배출)
: e+는 빛이되고, v는 우주공간으로 날아가며, 남는 것은, nH다.
② nH + H -> nHe + γ-ray : γ-ray는 백만년에 걸쳐 햇님을 빠져나와 지구에 도달한다.
③ nHe + nHe -> He + H + H : He를 만들고 다시 두개의 H+를 만든다
베타붕괴를 이해하는 기본공식 : n + v = P + e (단, 이항(상호전환)하면서 반물질로 바뀐다.)
-> P = n + e+ + v (경입자 페르미온 e는 전자로 e- 이므로, 이항하면 반물질 e+ 양전자positron이 된다)
-> n = P + e + v- (P는 proton, 즉 H+ / 중성미자 v는 이항하면 v-)
아래 그림에서 γ-ray를 한단계 아래에 그려넣은 것은, 잘못된 것이 아닐까?
양성자 proton 2개가 최초에 충돌하면서, Hn과 중성미자(v)와 양전자(positron)이 나오고,
이 양전자positron이 전자와 충돌하기 때문에 빛이 만들어지므로
첫단계에서 γ-ray를 그려넣는 것이 맞다고 본다(? / 무일의 추정)
=> 그런데 아니란다. Hn(D, 중수소)과 H가 충돌하여 nHe 동위원소가 될때, γ-ray가 나온단다.
=> 아무래도 1단계의 γ-ray는 e와 e+(P)의 충돌로 γ-ray가 발생하고,
2단계에서는 nHe의 충돌로 인해 γ-ray가 발생하는 모양이다.
즉, 1단계는 베타붕괴로 인한 양전자가 γ-ray를 만들고,
2단계는 알파입자(He)의 충돌에너지로 γ-ray가 만들어지는 모양이다.
양성자는 중성자보다 가볍다.
가벼운 양성자가 충돌에 의해 더 무거운 중성자가 될 확률은,
100억년에 단 한번(? 1/10^10y)에 일어날 정도로 어렵다.
그러므로 별에서 양의 베타붕괴는 너무너무 드물게 일어나고,
별들은 폭발하는 것이 아니라 서서히 양성자를 태우는 것이다.
거참, 신기한 노릇이다.
[ 양성자proton과 중성자neutron에 대하여 ]
1. 양성자와 중성자는 각각 3개의 쿼크quark로 구성되어 있다.
2. up quark는 +2/3의 전하량을, dn quark는 -1/3의 전하량을 갖고 있다.
3. 양성자는 +1의 전하량을 띄는데, 두 개의 up quark와 한 개의 dn quark로 구성되어 있다.
4. 중성자는 0의 전하량을 띄는데, 한 개의 up quark와 두 개의 dn quark로 구성되어 있다.
[ 쿼크quark를 도입한 베타붕괴beta decay에 대하여 ]
1. 양성자proton 두 개가 충돌하여 한 개의 양성자가 중성자로 변화한다는 것은,
2. 양성자를 구성하는 세 개의 쿼크quark 중 한개의 up quark가 dn quark로 변화한 것이다.
3. 양성자 = [ +2/3 + 2/3 - 1/3 ] = +1 => ( 중성자 neutron = +2/3 - 1/3 - 1/3 = 0 ) + ( w+ ; +3/3 = +1 )
4. +1의 전하량을 가지고 핵내에 존재하는 보존 boson 입자가 w+ 입자다.
5. w+는 핵 밖으로 나오지 않으므로 전자electron과 충돌하여 빛을 만들 수 없다.
6. 베타 붕괴로 나온 +1의 전하량을 지닌 양전자가 전자와 충돌하여 빛을 만들어 낸다고 했다.
7. 기본입자인 쿼크를 통해서 베타 붕괴를 설명하면, 처음의 설명과 맞지 않는다. 뭐가 맞는 것일까?
60년대는 양성자가 중성자로 바뀌었다고 설명했는데,
80년대에 들어서서 쿼크의 개념으로 다시 정리를 해서,
베타붕괴는 업쿼크가 다운쿼크로 바뀌면서 w+ 입자를 방출한다고 결론을 내린 것이다.
입자가속기는 입자현미경으로 w+를 튕겨내어 발견했다.
그러면, 빛 즉 γ-ray 는 어떻게 만들어지는 것일까?
"햇님의 뜨거운 열은, 양성자 2개가 충돌하여 중수소가 될때 감소되는 질량이 열로 전환된다.
그 열이 햇님 중심의 열을 계속해서 올려준다.
천만도 -> 500만도 -> 5천도로 햇님의 중심 -> 가운데 -> 표면의 온도가 된다."
위의 설명은 틀렸다. 중수소는 양성자 2개보다 무겁다.
* 중성미자는 3초만에 빠져나온다.
1. 우주의 모든 입자는, 페르미온과 보존으로 구분된다.
2. 페르미온(페르미-디락 통계) : 양성자, 중성자, 전자, 중성미자, 광자
3. 보존(보즈-아인슈타인 통계) : 강력, 약력, 전자기력, 중력에 관계된 입자. 강력장, 약력장(위크보존 : w+, w-, z0 : 양성자 질량의 80배) , 전자기장(photon 광자 / 질량 0), 중력장(중력자 : 아직 측정을 못했다)
빅뱅당시에 위크보존이 원래 4형제였다. 질량이 0였다.
[ 별의 일생 ]
양의 베타붕괴로 헬륨이 형성되는 것을 핵변환이라고 한다.
수소(양성자)가 다 변환이 끝나면, 헬륨을 기반으로 하여 별속에서는 탄소가 만들어진다. 3알파 프로세스다. 햇님의 경우에는 30억년 후다. 천배 정도로 커지게 된다. 적색거성이 된다. 이후에는 가스들은 전부 빠져나가고 탄소덩어리만 남게되는데, 이중 핵심부위가 다이아몬드별(백색왜성)이 된다.
햇님보다 10배 무거운 별에서는 양성자수가 6-8-10-12인 원소들이 핵융합이 일어나면서 90개의 원소가 만들어진다.
탄소끼리 결합하려면 3억도의 온도가 필요하다.
햇님 크기의 10% 이상에서 햇님 질량의 100배 이내여야 별이 될수있다.
별은 한꺼번에 수백개가 만들어진다.
약 영하200도 정도에서 별이 만들어지는데, 성간물질(Si ; 거대한 구름기둥)들이 모여야하기 때문이다.
거대한 별이 폭발(수퍼노바)하기 직전에 중성자 다발이 엄청나게 많아지면서 수많은 원소들이 생성된다.
중성자는 우주의 자연상태에는 존재하지 않고,
오직 핵속에서만 존재한다.
그런데, 거대한 별이 폭발하여 수퍼노바가 생길때
엄청난 밀도의 중성자 다발이 만들어진다.
이때, 예를 들어 원자번호 78인 백금의 원자핵에,
수퍼노바에서 만들어진 중성자 하나가 침투하면,
안정되었던 원자핵이 불안해지면서,
중성자 하나가 베타붕괴하면서 양성자를 만든다.
그러면, 원자번호 78인 백금이
원자번호 79인 금으로 바뀌고
원자량(질량)도 늘어난다.
다만, 중성자가 하나 추가된
백금동위원소와 금을 비교하면
원자량은 변화가 없다.
[ 음의 베타붕괴 ]
별속에서는 양성자가 중성자로도 바뀌지만,
우주에서는 중성자가 양성자로 바뀐다. 놀라운 것은 중성자는 불과 천초(16.7분)만에 양성자로 바뀐다.
그러므로 우주공간에는 중성자는 없고, 양성자는 엄청나게 많다.
우리의 몸속, 귤, 식초, 산성은 온통 양성자다.
더욱 놀라운 것은, 양성자는 거의 영원히 붕괴하지 않는다. 세마의 실험결과, 양성자의 수명이 있는지 모르겠다.
n + v = P + e
n = P + e + v- (중성자가 양성자로 되면, 전자와 중성미자(v-)를 방출한다) : 음의 베타붕괴
무거운 중성자(neutron)에서 가벼운 양성자(proton)이 되는 것은,
발열반응이며, 자연스런 현상이다.
이것을 쿼크의 관점으로 풀어보면,
[ n = uq + dq + dq ] = [ H = up + up + dq ] + [ dq + dq + dq = w- ]
즉, 위크보존 w-가 방출된다.
[ 인하대 물리2 강의 ]
베타입자는 전자. 그러므로 베타붕괴란 전자입자를 방출하는 것을 말한다.
원자핵속에는 절대로 전자가 있을수 없다.
① 하이젠베르크 : 불확정성의 원리(1925년) : 계산한 전자의 에너지가 너무 커서 핵속에는 존재할수 없다.
② 울프강 파올리 : 배타원리(1945년) :
(to be continued like reading the testament)
