두번째 시간. 원소의 기원2-2

이제는 에너지에 관한 내용이다.

에너지는 두가지가 있다.

바로 질량이 있는 물질 에너지,

그림 출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A7%88%EB%9F%89-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80_%EB%93%B1%EA%B0%80

위 그림에서, E는 에너지의 양을 말한다.

m은 질량, c는 빛의 속도를 뜻한다.

(아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 나온 공식!, 모든 질량은 그에 상당하는 에너지를 가진다.)

그리고 다른 하나는 질량이 없는 빛 에너지.

E = hv 라는 공식이 있다. 파동 에너지 공식으로 h는 플랑크 상수이고, v는 빛의 진동수이다.

물질에는 2가지 물질이 존재하는데, 하나는 물질과 반물질이 존재한다.

반물질은 물질에 anti- 가 붙은 것인데, 물질과 반대의 의미를 가지고 있다.

물질은 우리가 생각하는 지구상의 어떠한 원소들을 떠올리면 된다.

핵에는 양성자와 중성자, 그리고 그 주위에 존재하는 전자들.

그에 비해 반물질은 핵에 -전하를 가진 반양성자와 전하가 없는 반중성자를 가지고 있다. 또한 그 주위엔 양전자가 존재한다.

그림 출처 : https://ribelick.tistory.com/347

위 그림에서 물질과 반물질이 만나 충돌한다면, 엄청난 양의 에너지를 방출하며 "쌍소멸"하고 만다.

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수소의 핵은 다음 그림과 같이 양성자 하나를 핵으로 가지고 있다.

그림 출처 : http://study.zum.com/book/11893

세상의 물질은 가벼운 것에서 무거운 것으로 만들어지는 법칙을 따른다고 한다.

따라서 우주의 생성 또한, 가장 가벼운 수소 H 부터 파헤쳐보아야 할 것만 같다.

과거에 양성자가 가장 최초의 입자일 것이라고 생각했다.

그러나 양성자보다 먼저인 즉, 양성자를 구성하고 있는 입자가 있었다.

그림 출처 : https://brunch.co.kr/@iamscience/16

위 그림에서 볼 수 있듯이, 6개의 쿼크와 6개의 렙톤, 힘을 매개로 하는 보손 그리고 힉스 입자이다.

즉 양성자가 제일 간단한 입자인 줄 알았지만 더욱 간단한 것들이 있다는 것이다.

이때, 물질을 구성하는 입자는 쿼크에선 down과 up 쿼크, 렙톤에선 electron 렙톤이다.

(이것들을 발견하여 노벨물리학상을 받은 힉스와 앙글레르 - 2013 소립자들의 질량의 근원에 대한 이해)

아래 그림을 참고하자.

그림 출처 : http://study.zum.com/book/15164

정확히는 양성자를 구성하는 입자는 up 쿼크 2개와 down 쿼크 1개 이다.

양성자의 전하는 +1 인데, 그 이유도 up 쿼크의 전하가 2/3이고 down 쿼크의 전하가 -1/3 이기 때문에

정확히 합이 +1이다.

또한 중성자는  up 쿼크 1개와 down 쿼크 2개 이다. 이 또한 중성자의 전하가 0인 이유를 알 수 있다.

전자 electron

물질에 있어 핵이 크고 질량이 있기 때문에 그것만 중요하다고 생각했었다.

그러나 전자의 존재로 이 세상에 설명 안되는 것들이 설명되기 시작했다.

전자는 실질적으로 우리가 보는 "분자"를 구성하는데

"결합"이라는 도움을 주기 때문에 상당히 중요한 반열에 올라섰다.

1. 화학결합으로 분자를 만들 수 있다.

2. 분자의 성질을 결정한다.

쿼크의 특징은 다음과 같다.

1. 우주에 10의 81제곱 개가 존재한다.

2. size가 없다.

3. 전하의 크기 -> up(2/3), down(1/3)

4. 강한 핵력을 만든다. -> up과 down이 만들 때!

양성자는 빅뱅 시작 후 10의 -6제곱 초 후에 만들어졌다. (아주 빨리 만들어졌다)

양성자의 전하는 1, 중성자의 전하는 0이다.

크기는 10의 -15 제곱 미터이다.

Q. 아니, 쿼크의 size가 없는데, 쿼크로 구성된 양성자의 size가 존재할 수 있는가?

A. 강한 핵력 때문에 size가 존재할 수 있다. 강한 핵력이 만들어지는 조건은 쿼크 간 거리가 10의 -15제곱 미터 일 때만 100배 센 힘이 작용할 수 있다. (전하에 관한 힘 : 전자기력은 거리의 반비례 관계이므로)

그렇다면 중성자가 왜 필요할까?

중성자가 없어도 잘 살아갈 것만 같다.

그러나 중성자의 존재로 우리가 존재할 수 있다.

만일 우리가 수소 2개로 중성자가 없는 헬륨 He을 만들어 낸다고 생각해보자.

여러분들은 같은 극의 자석을 붙여보았을 것이다.

결과는 튕겨나간다! 곧, 반발력이 있다. 라는 것이다

따라서 양성자 들도 그것과 같다.

같은 전하를 가진 입자는 반발력이 엄청 강하다!

그러나 중성자의 존재로 양성자끼리를 중재하는 역할을 맡게 된 것이다.

그럼 자연스럽게 다음 질문이 떠오른다.

"아니 수소는 핵에 양성자만 가지고 있다. 그런데 어떻게 헬륨이 만들어지지?"

이 질문은 다음시간에 다루도록 하겠다.