[Aether 물리] #34 양자역학편 - 화재 감지기, 터널효과, 방사능
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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화재 감지기
불이 나면 이를 연기를 감지해서 경보를 울리는 시스템이 곳곳에 설치되어 있습니다. 이 감지기는 크게 두 종류가 있습니다.
하나는 빛의 굴절을 이용한 광전 연기 감지기이고, 다른 하나는 방사성 붕괴를 이용한 이온화 감지기입니다.
광전 연기 감지기
위 그림은 빛의 산란을 이용한 산란광식 감지기입니다. 감지기 안에 빛을 발사하고 수신하는 센서가 들어 있는데, 빛을 수신하는 센서는 아래쪽에 붙어 있습니다. 연기가 감지기 안으로 들어가서 이 발광 신호를 산란시키면 빛이 산란되어 수신센서로 빛이 들어가게 됩니다. 이 때 경보가 울리게 되는 것입니다.
이온화 감지기
광전 연기 감지기보다 더 민감한 감지기입니다. 감지기 안의 금속판 사이에 알파선을 발사하고, 이 알파선이 공기 분자를 양전화아 음전하로 이온화 시켜 금속판 사이에 미세한 전류가 흐릅니다. 연기가 발생하면, 연기는 이 이온화된 입자와 결합하게 되는데, 이 때 전류의 흐름이 줄어들게 되고, 이를 감지하여 경보를 울리게 됩니다.
방사선, 방사능, 방사성붕괴
방사선과 방사능이란 용어들이 헷갈립니다.
- 방사선: 방사성물질이 내는 에너지 흐름
- 방사능: 방사성물질이 방사선을 내는 강도
- 방사성붕괴: 원자핵이 방사선과 이온화 입자 방출을 통해서 안정된 에너지 상태로 되는 것
방사선은 알파, 베타, 엑스, 감마선, X선으로 나뉩니다.
- 알파선: 이온화된 헬륨, 종이나 피부로 차폐 가능. 섭취하면 위험함. 라돈가스가 방출하는 방사선.
- 베타선: 알루미늄으로 차폐. 피부조직에 손상을 줄 수 있음.
- 감마선: 납으로 차폐. 장기까지 손상을 줄 수 있음.
- X선: 인공적으로 만들어진 방사선, 감마선과 유사함. X-ray에 사용됨.
양자 터널효과
1921년에 한스 가이거가 알파입자를 우라늄 원자를 향해 발사하는 실험을 했습니다. 우라늄 핵과 양전하를 띠는 알파 입자간의 척력이 발생하여 알파 입자의 에너지가 8.6MeV보다 낮은 입자는 밀쳐지는 것이 관찰되었습니다. 그런데 우라늄은 자체적으로 알파선을 방출하는데, 이 때의 에너지가 약 4.2MeV로서, 알파입자를 우라늄 핵에 닿게 하도록 하는 최소 에너지보다 낮스니다.
이 말은 위 그림의 고전 물리처럼, 우라늄 원자에서 알파입자가 방충되려면 산같은 장벽을 넘어야 하는데, 산을 넘어가는데 필요한 에너지보다 작은데 산을 넘어가는 효과가 발생하는 것입니다.
고전 물리에서는 있을 수 없는 일이죠. 이러한 미스터리를 해결한 사람이 러시아의 가모프입니다 그는 알파 입자가 양자적 성질을 이용해 장벽에 터널을 뚫을 수 있기 때문에 많은 에너지가 필요하지 않다는 것을 밝혔습니다. 이것이 양자 터널효과입니다.
알파입자와 같은 양자적 입자는 파동성을 지니기 때문에 장벽을 어느 정도 침범할 수 있고, 장벽이 얇으면 운동 에너지가 충분하지 않아도 장벽을 뚫고 지나갈 수 있다는 것입니다. 그 확률은 매우 낮지만, 어쨌든 이렇게 해서 장벽을 넘기에 부족한 에너지를 가진 알파입자가 장벽을 지나서 밖으로 방출되는 것입니다.
터널효과를 이용하면 반대로 큰 에너지를 쓰지 않아도 외부에서 원자핵으로 입자를 집어 넣을 수도 있게 됩니다. 입자를 집어 넣는다는 것은 새로운 입자를 만들 수 있다는 얘기입니다. 1932년이 드디어 리튬 원자핵 안으로 양성자를 주입하는데 성공했습니다. 그런데 이때 10억개의 양성자중 단 한 개만 장벽을 통과해서 들어갔습니다. 그러나 리튬 핵에 양성자가 추가되어 불안정해져서 곧바로 2개의 알파 입자로 쪼개졌습니다. 이러한 원리로 인공 방사성 원소를 만들 수가 있게 된 것입니다.
이러한 기술도 현대 생활에 깊숙히 사용되고 있습니다. 반감기가 짧은 인공 방사성 원소를 만든 후에 환자에 주입하고 방사성붕괴로 방출되는 입자들을 관찰하여 음식의 이동 경로나 혈액의 이동 속도 등을 알아낼 수 있습니다. 또 종양을 제거하는데도 사용됩니다. 종양 근처로 방사성 원소를 보내고 그곳에서 방사성붕괴가 일어나 알파입자가 종양을 파괴하는 것입니다.
참고
양자역학은 다음 책을 참고했습니다.