한 권으로 이해하는 원자·소립자·양자의 세계

사이토가쓰히로

저자:사이토가쓰히로
1945년5월3일출생.1974년,도호쿠대학대학원이학연구과박사과정수료.현재는나고야공업대학명예교수로재직중이다.이학박사.전문분야는유기화학,물리화학,광화학,초분자화학.주요저서로는『한권으로이해하는독과약의과학』,『머릿속에쏙쏙!환경과학노트』,『머릿속에쏙쏙!화학노트』,『머릿속에쏙쏙!영양소노트』,『머릿속에쏙쏙!상대성이론노트』,『알아두면쓸모있는식품과학이야기』,『교양으로읽는원자력상식』등이있다.

역자:곽범신
대학에서일어일문학을전공한후,취업준비를위해찾은도서관에서일본미스터리소설을접하며뒤늦게번역가라는꿈을품게되었다.‘겸허하되주눅들지않는,과감하되자만하지않는번역가’라는목표를향해오늘도노력하며,독자들에게좋은책을소개하고자힘쓰고있다.현재는바른번역소속번역가로활동중이다.옮긴책으로는『머릿속에쏙쏙!화학노트』,『돈의세계사』,『이유가있어서멸종했습니다』,『TIGER』등이있다.

시작하며

제1장소립자란어떤물질일까?
1-1세상의만물을구성하는것은무엇일까?
원자에서소립자로
1-2모든물질은소립자에다다른다
페르미입자
1-3소립자를한데모으는것역시소립자였다
힘을전달하는게이지입자
1-4세계의성립을설명하는표준모형이후의발견
중성미자진동
1-5전기적인성질이정반대인반입자의발견
쌍소멸과쌍생성
1-6표준모형의부족한부분을보충하는각종소립자론
대통일이론·초대칭성이론·초끈이론

제2장극소의세계로-양자론의새벽
2-1현대물리학의양대이론의탄생
상대성이론과양자론
2-2양자론에서말하는양자란무엇일까?
양자·양자화·양자수
2-3빛의정체는입자일까?파동일까?
안개상자·광전관실험
2-4물질은입자이기도하며파동이기도하다
물질파

제3장양자론적으로보는원자의구조
3-1원자구조는어떻게해명되어왔을까?
고대그리스부터20세기초까지
3-2방정식으로도출된원자모형
슈뢰딩거방정식
3-3원자의화학적실체는전자구름에있다
전자껍질과양자수
3-4전자의궤도는입체를이룬다
양자론의궤도
3-5전자구름은전자의존재확률의도식화
하이젠베르크의불확정성원리
3-6전자배치에는규칙이있다
파울리와훈트의원리
3-7무엇이원자의물성과반응성을지배할까?
최외각전자·원자가전자의역할

제4장양자론적으로보는분자의구조
4-1수소원자의궤도와수소분자의궤도
파동함수
4-2간단하게구해지는수소분자의결합에너지
궤도상관도
4-3같은원자로이루어진분자의결합에너지는?
동핵이원자분자
4-4혼성궤도는원자궤도의재편성
sp³혼성궤도
4-5몇중결합과σ결합·π결합의관계는?
시스-트랜스이성질체

제5장소립자를통해보는원자핵의구조
5-1원자의구조와원자핵의구조
전자구름·원자핵과양성자·중성자
5-2원자핵을어떻게표현할까?
원자번호·질량수·동위원소
5-3원자핵의구조는어디까지밝혀졌을까?
원자핵물리학의‘마법수’란
5-4원자핵의양성자와중성자를결합시키는결합에너지
방사성동위원소
5-5방사선에는어떠한것이있을까?
α선·γ선·중성자선·양자선의성질

제6장원자핵반응과우주를생성한에너지
6-1원자핵은어떻게다른원자핵으로변화할까?
원자핵반응·원자핵붕괴
6-2방대한에너지를낳는핵분열반응과핵융합반응
원자핵분열·원자핵융합
6-3원자의탄생과성장-우주의시작과항성의일생
항성·중성자별·초신성폭발
6-4원자핵반응을이용한원자력발전의원리
원자로의구성요소
6-5인간의손으로태양을만드는인공핵융합이라는꿈
핵융합로의개발

제7장지구와인간에우주방사선이끼치는영향
7-1우주방사선은우리의생활에뜻하지않은영향을끼친다
은하우주방사선과태양우주방사선
7-2대기밖·대기안의우주방사선을구성하는입자
1차우주방사선·2차우주방사선
7-3우주방사선과오로라는무슨관련이있을까?
태양풍으로부터지구를지키는자기권
7-4오로라의색깔과형태의차이는어디에서생겨날까?
색깔은에너지의차이
7-5인체·인간사회에미치는우주방사선의영향
전자파·오존홀

제8장어떻게현실세계에서양자론을활용할수있을까
8-1우주방사선을이용한비파괴검사와정밀검사
뮤입자투과법과산란법
8-2뮤입자로증명한상대성이론
극소는극대로통한다
8-3현대화학을이끌어낸양자화학의탄생
궤도대칭성의이론
8-4양자역학을이용한양자컴퓨터란?
양자컴퓨터의특기분야
8-52019년에밝혀진블랙홀의존재
블랙홀의종류
8-6초전도발생기구의해명과새로운초전도체의발견
임계온도의향상

참고문헌
찾아보기

만물은무엇으로이루어져있을까?
만물을구성하는궁극의극소물질‘소립자’!
원자·소립자의행동을설명하는‘양자’의세계

‘만물은무엇으로이루어져있는가’이물음에어떤그리스의철인은이렇게대답했다.‘만물은원자로이루어져있다.’이문답은이후2500년이상이나반복되어왔다.그리고지금은수십종류,수십개의소립자가서로결합해양성자나중성자,원자핵을구성하고그원자핵이결합해분자를이루며,다시수십종류,수십개의분자가한데모여만물을형성한다는사실이밝혀졌다.
하지만‘소립자가어떻게원자를구성하고,원자가어떻게분자를이루는가’에대한설명은좀처럼밝혀지지않았다.비로소원자의구조가밝혀지기시작한것은20세기초에접어든뒤의이야기다.이무렵에당시물리학의근간을뒤집은양대이론인‘상대성이론’과‘양자론’이등장했기때문이다.
‘상대성이론’과‘양자론’은연구대상으로삼는세계가전혀다르다.‘상대성이론’은‘우주,천체,미래’라는장대하며깊은세계,그리고그곳을종횡무진하는광자나로켓등무척이나빠른물체의움직임을대상으로삼고있다.반면에‘양자론’은‘분자,원자,원자핵,소립자라는무척이나미세한물체의움직임’을다룬다.하지만‘극대와극소는서로를끌어당긴다’라는매력적인명제는여기에도적용된듯하다.현재두이론은서로영향을주고받으며한층고도화된응용분야도감당해낼수있게끔성장을이어나가고있다.
양자론을다룬교과서나해설서는무척많다.하지만처음부터끝까지수식의나열로이루어져있거나반대로이게과학책인지동양철학책인지헷갈릴정도로철학적인분위기로치우친책들이종종보인다.이책은이해한내용이독자의머릿속에남게끔,일단구체적으로머릿속에떠오를법한내용을중심으로쓰였다.또이책에는해설을돕는그림이풍부하게삽입되어있다.이를훑어보기만하더라도이윽고본질을이해할수있게될것이다.

책속에서

물질을구성하는소립자에는몇종류가있지만한데모아‘페르미입자’라고불립니다.페르미입자는또한‘쿼크’라는그룹과‘렙톤’이라는그룹으로나뉘지요.그리고쿼크와렙톤에는각각6종류의소립자가있습니다.따라서페르미입자는전부12종류가있다는말이됩니다.각종소립자의집합체인원자를예로들어구체적으로살펴보면원자는원자핵과그주변에있는전자(구름)로이루어져있습니다.이전자가렙톤족의소립자입니다.그리고원자핵은양성자와중성자라는2종의입자로이루어져있는데,이양성자와중성자는쿼크족의소립자3개로이루어져있습니다.즉,‘양성자는2개의위쿼크와1개의아래쿼크’,‘중성자는1개의위쿼크와2개의아래쿼크’로이루어져있지요.
제1장소립자란어떤물질일까?

‘분자’,‘핵자’,‘전자’,‘양성자’,‘중성자’,‘중간자’,‘소립자.’현대과학에서사용되는용어중에는‘자’가붙는것이무척많습니다.그렇다면‘자’란무엇을의미하는걸까요?그대답은현단계에서는이해하지못하는분도많이있겠지만,일단은‘에너지의단위량’이라고정의해두겠습니다.분자,원자등은확실히부피(분자구조,원자반지름등)와질량(중량,분자량,원자량)을갖고있습니다.하지만소립자에이르면이는의심스러워집니다.그런점은제쳐두고,지금은‘양자란에너지의단위량’이라해둡시다.즉,원자나전자처럼구체적인이미지가있는것은아니지만,어떤‘일정량의에너지가덩어리(단위)처럼행동하는무언가’라는뜻입니다.
제2장극소의세계로-양자론의새벽

양자화학에서는‘양자화’,‘물질파’등신기한개념이등장하는데,그중하나가바로‘불확정성원리’입니다.이는양을명확하게측정할수없는경우가존재한다는원리입니다.이럴지도모르고,저럴지도모른다는뜻이지요.이렇게말하면다소모호하고비과학적으로들릴지도모르겠네요.하지만‘몇%의확률로이럴것이다’정도로는표현할수있습니다.
제3장양자론적으로보는원자의구조

공유결합은복잡한결합입니다.잘알려져있듯이공유결합에는단일결합,이중결합,삼중결합등이있는데,그외에σ(시그마)결합,π(파이)결합등도존재합니다.그리고‘몇중결합’이라고표현하는결합은σ결합과π결합의조합으로이루어져있습니다.즉,‘몇중결합’이라는용어와‘σ결합,π결합’이라는용어사이에는밀접한관계가있습니다.아래의문장은그점에주의해읽어주세요.
제4장양자론적으로보는분자의구조

원자는전자구름이라는가볍고폭신폭신한(밀도가작은)부분과,여기에에워싸이듯이존재하고있는작고무거운(밀도가큰)입자로이루어져있습니다.이작고무거운입자를원자핵이라고부릅니다.원자를구성하는전자(구름)는스스로가1개의소립자이지만원자핵은소립자가아니지요.전자와원자핵은둘모두고유한반응을갖고있습니다.하지만원자핵의반응은원자핵반응이라불리는데,특수하며좀처럼일어나지않지만그대신한번일어나면막대한에너지를방출하기때문에일반적인화학에서는취급하지않습니다.반면에일반적인화학반응은전자(전자구름)만이일으키는반응으로,원자핵은일절관여하지않지요.
제5장소립자를통해보는원자핵의구조

핵융합반응이란,작은원자핵이융합해커다란원자핵으로변하는반응입니다.이때는방대한에너지가발생합니다.따라서미래의에너지원으로서뜨거운주목을받고있지요.핵융합에너지의예시로널리알려진것은태양을비롯한항성의에너지원입니다.지구로날아드는에너지의대부분은태양에서유래하는에너지입니다.우리생물은이태양에너지를받아생명을길러내고있으니우리가살아갈수있는것은핵융합에너지덕분이라해도과언이아닐지도모릅니다.항성에서는원자번호1인수소원자핵H2개가핵융합을일으켜원자번호2인헬륨원자핵He으로변함에따라막대한에너지가발생하고있습니다.이에너지를인류가제어할수는없을까?바로이꿈이핵융합개발의원동력입니다.핵융합이촉망되는분야는핵융합로를이용한핵융합발전입니다.
제6장원자핵반응과우주를생성한에너지

우주방사선이란광속에가까운속도로우주공간을날아다니는양성자(수소원자핵)나헬륨등의원자핵,전자나뮤입자등의소립자를말합니다.게다가이고속·고에너지입자가지구의성층권이나대기권에존재하는분자와충돌해서발생시킨미립자등도우주방사선이라고부릅니다.즉,오존,산소,질소등의분자와충돌하면서발생한중성자등의핵자,혹은중성미자등의소립자,또는γ선과같은고에너지전자파등도우주방사선이라불린다는뜻이지요.하지만역시나일반적으로우주방사선이라한다면양성자와그10%정도양의헬륨,그리고극히소수의탄소,철,그보다미량이기는하지만우라늄등의원자핵성분과전자가주류로여겨지는경우가많습니다.
제7장지구와인간에우주방사선이끼치는영향

‘양자’에관한화제로뉴스에자주언급되는것이‘양자컴퓨터’입니다.양자컴퓨터는양자역학현상을정보처리기술에적용한것으로,기존의컴퓨터(고전컴퓨터)로는쉽게풀지못하는복잡한계산을처리할수있는컴퓨터입니다.양자컴퓨터는‘양자중첩’이나‘양자얽힘’과같은양자론특유의현상을이용해여러계산을동시에진행시키는병렬계산을시행합니다.그결과,고속계산이가능해지기때문에다양한분야에서활용될것으로기대를모으고있지요.아직연구단계라서실용적으로는완성되지않았지만시제품단계의제품은가동중이라고합니다.
제8장어떻게현실세계에서양자론을활용할수있을까