양자 이론에 관한 수필(r14판 RAW)

[[분류:양자물리학]][[분류:수필]]
=# 양자 이론의 개념 #=
이 세상의 모든 물질은 계속 자르면 결국 입자 상태에 도달한다. 그 입자는 '원자,,atom,,'으로 일컬어지며, 이 원자의 양성자 개수에 따라 현재까지 118개로 밝혀져 구분되며, 이 종류를 원소라 부른다. 원자는 원자핵과 전자기력에 의해 그 주위를 도는 전자들로 이루어진다. 원자핵은 양성자 및 중성자로 이루어지며, 이때 전자 수가 변하면 이온, 양성자 수가 변하면 다른 원자, 중성자 수가 변하면 동위원소가 된다. 원자 번호가 커질수록 질량도 증가하기 때문에 대체로 불안정하며, 방사선을 내뿜는데, 이 능력을 방사능이라고 한다. 방사선에 대해선 나중에 더 자세히 알아보도록 하자.

양성자는 양전하(+)를 띄며, 전자는 음전하(-), 중성자는 아무 전하도 띄지 않는다. 양성자 개수에 따라 원자 번호가 결정되며, 일반적으로는 양성자 개수와 전자 개수가 일치하여 원자는 중성을 띈다. 즉 양성자 하나와 전자 하나의 전하는 같다. 질량이 서로 1000배 이상 차이 날 뿐. 이들의 세계는 매우 작다. 수소 원자 1억 5천만 개, 또는 금 입자 1억개를 일렬로 늘어놓아야 1cm가 될 정도이다. 물론, 원자 속 약 99.9999%는 비어 있다는 사실을 잊지 말아야 한다. 아무튼 이렇게나 작은 세상은 우리의 세계, 즉 '거시 세계'와는 다른 법칙들이 적용되며, 이를 '미시 세계'라 한다. 이곳에서 적용되는 역학을 '''양자역학''', 그리고 이러한 이론을 '''양자 이론'''이라 한다.

언뜻 보면 이 세 입자들이 세상을 구성하는 것처럼 보일 수도 있겠지만, 실제로는 양성자와 중성자를 이루는 입자들도 존재한다. 이름하여 쿼크. 양성자와 중성자는 세 개의 쿼크들이 결합했다 하여 '바리온'의 일종이다. 그래서 실제 알려진 기본 입자들은 몇 종류일까? 답은 17가지이며, 이를 '표준 입자 모형'이라고 한다. 양자물리학에 대해 알아보기 전, 먼저 이 모형에 속한 입자 하나하나에 대해 알아볼 것이다.

>이 기본 입자들은 크게 두 종류로 나뉜다. 페르미온과 보손이다. 무엇이 다른가 하면 바로 페르미온은 실제로 물체를 구성하는 입자이고 보손은 힘을 전달하는 입자이다. 양쪽 모두 이 세상에 반드시 필요한 입자들인 것이다. 먼저 페르미온을 살펴보자. 페르미온은 스핀(입자의 기본적인 성질 중 하나)이 반정수이다. 이 페르미온은 또 다시 경입자(렙톤)과 쿼크로 이루어진다. 위에서 몬 그 쿼크 맞다. 일단 경입자는 말 그대로 가벼운 입자이다. 전자, 뮤온, 타우온, 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우온 중성미자가 여기에 속한다.
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>전자에 대해 알아보면 전자는 원자를 도는, 경입자 중에서도 가장 가벼운 입자로, 전하가 -1이다. 스핀은 [math(\dfrac {1}{2})]. 전자는 매우 빠르게 움직이며 원자 안에서도 마찬가지이며, 확률 분포 구름으로 나타내어진다. 흔히 보이는 태양계형 모형과 달리 존재할 확률이 높은 곳을 더 진하게 색칠하는 것이다. 여기에서 오비탈의 개념도 나오는데, 다루지는 않겠다. 전자는 이외에도 '전자총'이라 하여 전자를 쏘아서 소립자의 다양한 성질을 밝혀내는 데에 많이 사용되기도 한다. 대표적인 것이 후술할 입자-파동 이중성.
>아무튼 그래서 진공에 강한 전류를 흘러보내면 음극선, 즉 전자의 이동이 관찰된다. 전류가 전자의 이동이란 말이다. 전선의 자유전자들이 움직이는 것이 전류이며, 전류가 강하면 많은 입자들, 전압이 높으면 전자들의 높은 운동에너지, 저항이 높으면 더 높은 운동에너지 손실을 의미한다.
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>그 다음엔 뮤온에 대해 알아보자. 뮤온은 전자보다 약 200배 무거운 입자로, 우주에서 수없이 많이 떨어지지만, 상호작용을 거의 하지 않는다. 그래서 검출하기 어려운 입자 중 하나이다. 그러나 물질의 양이 믾으면 검출이 가능하긴 하여 건물 내부 투시에 사용되기도 한다. 한편 상대성 이론에 많이 나오는 예시이다. 경입자 2세대인지라 경입자 1세대인 전자로 붕괴하는데 그 수명이 매우 짧다.
=# 양자 이론의 역사 #=
고대 그리스의 철학자들은 이 세상을 이루는 근본을 찾기 위해 노력하고, 엠페도클레스와 아리스토텔레스는 4원소설을 제시하였다. 4원소설은 만물은 흙, 공기, 불, 물 이 네 가지 원소들로 이루어져 있다는 것이다. 이는 아리스토텔레스가 더욱 발전시켰는데, 이 4원소들의 특징에 더움과 추움, 습함과 건조함, 이 네 성질들이 있다는 것이다. 이 네 성질 중 각 원소가 두 성질씩 가져 이루어진다는 것이다.