이리하여 '도깨비 같은 소립자들'이 무더기로 생겼다.
그래서 그들을 '소립자 족속'이라고 불러야겠다. 그런데 이 소립자 족속에는 아주 나쁜 불량배들이 많다.
이들 중에는 자신의 신출귀몰한 능력만 믿고, 자신들이 통과한 자리를 심한 난장판으로 해놓고 사라지기 일쑤이다. 그러나 형사들(과학자들)은 어느 놈들이 그런 짓을 하는지 다 안다. 그것은 그들이 저질러놓은 범죄수법을 관찰함으로써 알 수 있다.
이들의 범죄를 어떻게 알 수 있을까?
소립자 족속이라고 다 그렇게 나쁜 놈들은 아니다. 그들 중에 중성자, 광자, 중성미자들은 점잖게 그냥 지나가는 신사들인데, 다른 놈들은 꼭 태풍이 지나간 폐허의 거리처럼 나무를 부러뜨려 놓거나 가옥을 반파 내지 완파시켜 놓는다.
그런데 실은 가옥 정도나 파괴시키는 것이 아니라, 아주 가정까지 파괴시키니 문제이다.
즉, 어떤 원자핵을 가장이라고 보면, 이 가장이 데리고 있던 제 아내(전자)를 꼬여다가 남의 가정에 덧붙이기도 하고, 아주 날려버리는 것이다.
이렇게 되니 어떤 원자의 가정에는 아내를 잃은 양성자가 홀아비 생활을 하거나, 어떤 다복(?)한 핵은 아닌 밤중에 홍두깨처럼 첩을 데리고 살게 된다. 마치 전쟁이 지나간 자리처럼. 그 이유는 그들 무례한(소립자족)이 가지고 있는 '전자'라는 무기 때문이다.
즉, 전기를 가진 소립자가 기체, 액체 또는 고체를 통과하면, 그 하전입자는 작지만 그 주위에 광범위한 전기장을 데리고 운동하기 때문에, 하전입자와 더불어 움직이는 전기장은 하전입자의 통로 및 그 부근에 산재해 있는 원자 및 분자에 마치 태풍이나 전쟁이 지나간 것과 같은 영향을 주어, 분자 및 전자의 핵외 전자를 날려 보내며, 날려진 전자는 남의 가정에 더부살이를 하는 괴현상이 발생하게 된다. 이 비정상적인 핵가족을 '하전입자에 의한 이온화(ionization) 현상'이라 부르며, 가족을 뺏긴 것, 즉 양이온 잃은 것을 '음이온'이라고 한다.
도깨비를 보는 기구
지금까지 우리는 물리학자들이 그렇다고 하니 그런 줄 알고 있을 뿐이다.
도깨비 같다는 소립자족도 있다니까 있는 줄 알 뿐이지, 우리의 감각으로는 남의 차원 이야기이지 실감이 나지 않는다.
그래서 우리는 우리 눈으로 직접 보지 않고는 믿을 수가 없다. 그러면 이 도깨비 같은 소립자족을 우리의 육안으로 직접 볼 수는 없을까? 한 번 봐야 하겠다.
우선 안개는 왜 생긴 걸까? 그것부터 알아보자. 공기 중에 안개가 생기기 위해서는 공기 중에 반드시 '종핵(種核)'이라는 먼지 같은 씨앗이 있어야 한다. 만일 공기 중에 먼지 같은 종핵이 전혀 없다면 수증기는 작은 물방울인 안개가 절대로 될 수 없으며, 따라서 백성이 아무리 목말라 해도 비 한 방울 내릴 수 없게 된다.
이렇게 안개 한 방울, 비 한 방울 되지 않은 수증기는 포화상태가 된다.
이것이 차츰 온도가 내려가고 진하게 되면 과포화 상태가 된다.
그래도 종핵이 없으면 이들 수증기 만으로는 안개 한 방울 만들지 못한다.
이렇게 발정한 고양이처럼 날뛰던 과포화 상태가 어쩌다 외부로부터 수컷(소립자족)이 관통하고 지나가면 때를 놓일세라 이것을 종핵으로 하여 작은 물방울이 생기며, 이 소립자의 관통 행위가 화살 같이 때문에 마치 화살 같은 선이 빛에 반사하여 아주 아름다운 선으로 나타난다.
이것이 유명한 '안개상자'의 원리이며, 영국의 윌슨 (C. T. R. Wilson)이 이것을 발명하여 여러 사람의 육안에 유령 같은 소립자의 존재를 보여주고 노벨상을 받았으므로, 이것을 '윌슨의 안개상자'라고 한다.
이것도 약간씩 개량하여 여러 가지 모양의 상자로 되어 있으며, 공기는 아무리 깨끗이 걸러봐야 먼지 같은 불순물이 다소 함유되므로 주로 아르곤(argon) 가스와 소량의 애틸알콜을 흔히 사용한다. 이렇게 해서 도깨비 같은 소립자족의 하전입자의 비적을 육안으로 직접 보게 된 것이며, 사진도 찍을 수 있어 초기의 원자핵 소립자 연구에 큰 공헌을 하였으며, 그 후 이것과 비슷한 원리, 즉 물이 끊는 원리를 이용하여 이들을 보는 방법도 개발하였다.
즉, 난로 위에 주전자를 놓으면 돌발적으로 물이 심하게 끊는 현상이 나타나는데, 이것을 '범핑 (bumping)'이라고 한다.
미국의 글레이져(D. A. Glaser)는 이 범핑 현상과 우주선 샤워가 일치하고 있는데 관심을 두고 연구했다. 우선 상자 안에 에터프로펜(propene)이나 더 진보된 것은 액체 수소, 액체 크세논(xenon) 등을 넣고 상자의 외부로부터 가열하여 범핑을 일으킬 상태에 둔다.
그러면 순간적으로 하전입자가 이 액체 속을 통과하여 그 궤도에 따라 작은 기포가 염주처럼 형성이 되므로, 카메라를 장치하였다가 사진도 찍을 수가 있다. 이것이 기포상자의 구조이며, 그대로 방치해두면 범핑 현상이 심하게 일어나므로 안 쓸 때는 곧 외압으로 압축시켜놓아야 하고, 다시 소립자가 보고 싶을 때는 외압만 제거해놓으면 되며, 이 도깨비들을 볼 때는 외압을 제거시키는 그 순간 뿐이다.
이 기포상자는 안개상자와 비슷하나 안개상자로도 잡을 수 없는 유령까지 잡을 수 있으므로 물리학에 경이적인 진보를 촉진시켰다. 이 기포상자 뒤에 강력한 전자석을 설치해놓으면 선을 그리며 통과하는 소립자들이 원 운동을 하게 되고, 따라서 먼저 말한 우주선의 파이중간자가 뮤 중간자와 중성미자로 붕괴되고, 다음에 뮤 중간자가 전자와 중성비자로 연속 붕괴하는 현상을 일목요연하게 볼 수 있다.
요즘은 우주선을 쓰지 않고 전자 가속기에서 인공적으로 소립자를 만들어 쓰고 있는데, 하여튼 이 유령을 잡은 글레이져는 또 다시 노벨물리학상을 받았으며, 요즘은 스파크체임버니 씬텔레이터 등 전자로 스파크 현상을 일으켜서 보는 방법도 개발한 모양이나, 우리는 역시 물리학도가 아니므로 생략한다.
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