러더퍼드의 원자핵 발견에서 유카와의 중간자 이론까지

원자핵의 세계를 연 물리학자들, 세상을 바꾸다

 

★ 전국과학교사모임 추천

★ 일대일 친절한 과학 수업

★ 이공계 진학 예정자 필독서

★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록

원자핵의 비밀을 풀어가는 흥미로운 여정!

 

<노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈 12번째 책으로, 러더퍼드의 원자모형 탄생부터 채드윅의 중성자 발견, 유카와의 중간자 예언, 파월 그룹의 파이 중간자 발견까지, 원자핵의 비밀을 풀어가는 물리학자들의 치열한 연구 과정이 핵물리학의 역사와 함께 흥미진진하게 펼쳐진다. 저자인 정완상 교수는 이론물리학자이자 물리학과 교수로서 30년 이상 쌓아온 경험을 바탕으로 물리학도를 비롯해 물리학에 관심을 지닌 독자, 일반 독자들을 대상으로, 이 책을 통해 노벨상 수상자들의 오리지널 논문을 접하는 특별한 즐거움을 선사하고 있다. 2008년 자발적 대칭 붕괴로 노벨 물리학상을 받은 일본의 난부 요이치로 박사와의 인터뷰 형식을 빌린 도입부는 동아시아 최초이자 일본인 최초로 노벨 물리학상을 받은 유카와 히데키의 핵력 이론에 대해 짧게 설명하며 책의 흐름을 개괄적으로 파악하도록 했다. 이어, 원자핵의 발견부터 우주방사선 발견, 알파붕괴, 베타붕괴 이론과 함께 유카와의 노벨상 수상을 가능하게 한 일본 물리학의 변천 과정, 어린아이들의 캐치볼 놀이에서 핵력 이론에 대한 아이디어를 떠올린 유카와의 연구 과정과 논문 내용을 소개한다. 무엇보다 이 책은 저자를 대변하는 정교수와 독자 입장에서 정교수에게 질문을 던지는 물리군의 대화 형식을 빌려 일대일 수업을 듣는 듯 친절하고 정교하게 구성된 것이 특징이다. 부록에는 핵마법수에 대한 메이어 논문, 알파붕괴에 대한 가모프 논문, 핵력에 대한 유카와, 그리고 하이젠베르크의 논문을 실었다. 저자는 특히 이론물리학의 천재로 불리는 가모프의 논문에 대해 ‘아름답다’라고 표현한다. 이와 함께 노벨 물리학상, 화학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해로 세계로 안내한다.

 

[목 차]
  

추천사

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

아시아 최초로 노벨상의 영광을 안은 유카와 _ 난부 요이치로 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남 : 원자핵의 모양

원자핵의 발견_전자와 함께 원자를 구성하는 미세한 입자

우주에서 온 방사선_우주방사선 발견으로 노벨상 받은 헤스

윌슨의 안개상자 발명과 뮤온의 발견_멋진 안개상자가 해낸 일들

거품상자의 발명_입자의 질량을 알아내다

새로운 입자 발견의 시대_양성자와 중성자의 발견

핵의 결합에너지_4개의 수소 핵은 헬륨 핵 하나보다 무겁다

핵의 물방울 모형 _핵마다 결합에너지는 달라진다

마법수의 발견 _메이어와 옌센, 완벽한 핵 껍질 모형을 만들다

미분 방정식 _등식을 만족하는 미분을 포함한 방정식

 

두 번째 만남 : 알파붕괴 이론

시간 의존, 시간 비의존 슈뢰딩거 방정식_양자역학의 비밀을 풀다

슈뢰딩거 방정식의 경계조건_양자역학은 확률게임이다

퍼텐셜 계단_양자의 신비가 궁금해!

가모프의 논문 속으로 I_양자터널링으로 알파붕괴 이론 설명

가모프의 논문 속으로 II_슈뢰딩거 방정식의 근사해를 구한 과학자들

알파붕괴 이론_알파입자가 밖으로 투과되다

 

세 번째 만남 : 베타붕괴

베타붕괴의 발견_중성자가 양성자로 바뀌면 일어나는 일

체렌코프 효과_세 명의 과학자가 빚어낸 아름다운 하모니

뉴트리노의 발견_뉴트리노로 노벨상을 거머쥔 과학자들

페르미의 베타붕괴이론_베타붕괴에서 방출되는 최종 에너지값은?

 

네 번째 만남 : 핵력을 발견한 유카와

일본 물리학의 시작_겐지로, 한타로, 니시나가 끼친 업적

아시아 최초의 노벨상_유카와 히데키, 중간자 이론을 발표하다

맥스웰 방정식과 로렌츠 게이지_벡터와 전기 퍼텐셜의 재미있는 성질

유카와의 중간자 예언_중간자의 질량을 계산하다

유카와의 논문 속으로_유카와 퍼텐셜이 궁금해!

파이 중간자의 발견_피레네산맥에서 발견한 한 장의 사진

 

만남에 덧붙여

Quantum Theory of the Atomic Nucleus_가모프 논문 영문본

On Closed Shells in Nuclei Ⅱ_메이어 논문 영문본

On the Interaction of Elementary Particles_유카와 핵력 논문 영문본

The Yukawa Theory of Nuclear Forces in the Light of Present Quantum

Theory of Wave Fields_하이젠베르크 논문 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

노벨 화학상 수상자들을 소개합니다

[본 문]
  

원자핵 중에서 가장 작은 수소의 원자핵은 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자인데, 이것을 ‘양성자(proton)’라고 부른다. 양성자의 전하량 크기는 전자와 같으나 전자가 음의 전기를 띠는 반면, 양성자

는 양의 전기를 띤다. 양성자의 질량은 전자 질량의 1,840배 정도로 무겁다.

_ 본문 22~23쪽

 

1932년 미국의 앤더슨은 안개상자를 통해 우주방사선을 연구하던 중 전자와 질량과 전하량의 크기는 같지만 전하의 부호가 반대인 입자를 발견했다. 이 입자는 1928년 이론물리학자인 영국의 디랙(Paul A. M. Dirac, 1902~1984, 영국, 1933년 노벨 물리학상 수상)이 예언한 입자였는데, 양의 전기를 띤 전자라는 뜻으로 ‘양전자(positron)’라는 이름이 붙었다.

_ 본문 34쪽

 

1932년의 두 번째 중요한 발견은 중성자의 발견이야. 영국의 채드윅(James Chadwick, 1891~1974, 영국, 1935년 노벨 물리학상 수상)이 발견했지. 중성자는 전기적으로 중성이고 양성자보다 약간 무겁지만 거의 비슷한 질량을 가지고 있어.

_ 본문 36쪽

 

핵자에는 전기를 띤 양성자도 있고, 전기를 띠지 않은 중성자도 있으므로 핵력은 전기력과는 다른 종류의 힘이라는 것이 유카와에 의해 알려졌다. 유카와는 핵자들 사이의 힘인 핵력을 처음 생각했다. 핵자들 사이의 힘은 힘이 전달되는 거리가 짧아 가까운 거리에 있는 핵자들과의 상호작용만 고려하면 된다.

_ 본문 47쪽

 

엄청나게 많은 양성자와 중성자들이 원자핵에 존재하는데도 원자핵은 어떻게 그렇게 안정적일 수 있는가? 이 문제를 고민하던 메이어는 1932년 소련의 이바첸코(Dmitri Dmitrievich Ivanenko 1904~1994)가 제안한 핵 껍질 모형에 관심을 가졌다. 이바첸코는 보어의 원자모형에 나오는 전자의 궤도처럼 양성자와 중성자가 특정한 궤도에 존재할 수 있다고 생각했다.

_ 본문 61쪽

 

슈뢰딩거 방정식이 발표된 지 2년이 지난 후 가모프는 알파입자를 양자로 취급하면 핵에서 알파입자가 튀어나오는 알파붕괴를 설명할 수 있지 않을까, 하는 생각을 했어. 그는 양자터널링이라는 놀라운 아이디어를 만들어내 알파붕괴 이론을 내놓았지.

_ 본문 96쪽

 

체렌코프는 방사선 실험을 하던 중 실험실 물병에 방사선이 쪼이면서 물병에서 청색 빛이 방출되는 현상을 관찰했다. 체렌코프 이전에 과학자들은 방사선이 액체를 통과할 때 희미하게 방출되는 푸른빛이 나오는 것을 알고 있었다. 과학자들은 이 현상을 단순한 형광 현상으로 여겼다. 하지만 체렌코프는 이 빛이 형광에 의한 빛이 아닐지도 모른다는 생각을 품었다.

_ 본문 137쪽

 

유카와는 하이젠베르크의 불확정성원리를 써서 핵력의 캐치볼 역할을 하는 새로운 입자를 예언했어. 그리고 이 입자의 이름을 ‘중간자(mson)’라고 불렀어. 유카와는 중간자의 질량이 전자의 질량의 약 200배 정도이어야 함을 알게 되었지.

_ 본문 194쪽

 

파월 그룹은 우주선 실험을 할 장소로 프랑스 피레네산맥에 있는 2,877m 높이의 피크 뒤 미디 드 비고르(Pic du Midi de Bigorre)를 택했다. 이곳의 정상에는 관측소가 있었다. 파월 그룹은 이곳에서 놀라운 사진 한 장을 발견했다. 이 사진은 바로 유카와가 그렇게 기다리던 중간자의 사진이었다. 이들은 이 중간자의 이름을 ‘파이온’이라고 불렀다.

_ 본문 211~212쪽

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다. 이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

 

박희은(하성고 물리학 교사)

이 책은 다양한 수준의 학생들에게 딱, 적당한 수준의 좋은 도서가 될 것이라고 생각합니다. 특히 대화 형식으로 구성되어 빽빽하지 않게 보이는 책의 형식은 물리학이라면 인상부터 찌푸리는 학생들이 수식을 모두 빼고 읽더라도 술술 읽을 수 있을 것입니다. 또한 수학적 과정, 물리학의 기본 단위들에 대한 상세한 설명도 포함되어 있어서 수준 높은 학생들에게도 좋은 길잡이가 될 것입니다. 즉 물리학에 흥미가 많은 반짝거리는 어린 물리학도들에게도, 수준 높은 물리학을 연구하다가도 ‘아니, 그래서 왜?’라는 생각이 문득 들며 현대 물리학을 다시 공부할 학부생들에게도, ‘노벨 물리학상을 받았다는 일본인이 발표한 핵력이 대체 뭐야?’라는 궁금증을 느끼고 책을 펼칠 일반인들에게도 훌륭한 책이 될 것입니다.