미시의 세계를 찾아서(feat. 원자부터 쿼크까지)

지구상에는 수많은 물질이 있다. 그러한 물질을 쪼개고 쪼개면 어디까지 작아질 수 있을까? 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자는 무엇일까? 우리는 현실세계에 살지만, 눈에 보이지 않는 우주의 세계와 우리와 공존하고 있는 미시의 세계에는 여전히 모르는 게 많다. 이번 시간에는 원자부터 쿼크까지 알아보는 시간을 가져보겠다.

 

 

돌턴의 원자설

2500여년 전 그리스 철학자 데모 크리스토스는 세상의 만물을 구성하는 기본이자 더 이상 작게 분리되지 않는 조각으로 원자의 개념을 주장했고, 수세기간 정설로 여겨 저 왔었다. 그리고 영국 화학자 존 돌턴도 원자가 가장 작은 단위의 입자라고 생각했다. 돌턴은 원자설을 주장하면서 더 이상 쪼개 질 수 없고, 다른 원자로 바뀔 수 없다는 가설을 세우기도 했는데, 이는 잘못된 것으로 판명되었다. 원자는 양성자, 중성자 등 원자보다 작은 입자로 구성되므로 쪼개질 수 있고, 핵분열이나 핵융합을 통해 다른 원자로 바뀔 수 있으며, 원자가 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다는 것을 현대 원자 물리학의 창시자라고 불리는 존 틈슨과 어니스트 러더퍼드, 그의 제자 제임스 채드윅에 의해 전자, 양성자, 중성자가 규명되었다.

 

출처 : 네이버

쿼크의 발견

물질의 구성 요소인 원자는 중심에 원자핵을 갖고 그 주위 궤도에 전자가 존재한다. 원자핵은 양성자와 중성자가 결합한 구조이다. 양성자와 중성자 및 그것들 사이에 교환되는 중간자 등은 소립자라고 불리는데, 종래에는 소립자야말로 더 이상 쪼갤수 없는 궁극의 입자로 여겨졌다. 하지만 사람들은 "원자를 구성하는 세 입자 중 전자는 질량이 작은데, 양성자나 중성자는 왜 크고 무거울까"라는 의심을 품었다. 전자를 양성자로 산란시켜보면 양성자가 이루는 전기장은 점 전하(부피는 없고, 전하량만 가지고 있는 이론적 존재)의 그것과는 다르게, 양성자의 전하가 퍼져 분포되어 있다는 것을 알 수 있다.

1964년 미국의 물리학자 머리 겔만은 양성자가 더 작은 3개의 입자로 이루어져 있다는 사실을 알아내고, 양성자의 100분의 1 크기의 최소 단위 미립자를 쿼크라고 명명하였다.

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쿼크의 특징

쿼크의 종류는 전하량과 정지 질량에 따라 업, 다운, 참, 스트레인지, 톱, 보텀 등 6종류로 나뉜다. 이는 다시 3세대로 구분되는데 

제1세대는 업, 다운 쿼크 / 제2세대는 참. 스트레인지 쿼크 / 제3세대는 톱, 보톰 쿼크로 구분된다.

과학 학자들은 크기가 없는 쿼크를 가장 궁극적인 입자라고 한다. 그러나 쿼크를 이루고 있는, 더 작은 입자를 발견하지 못하는 인간 능력의 한계 때문에 쿼크를 가장 작은 입자라고 생각할 수도 있다. 현재 우리 인간의 능력으로는 쿼크를 쪼갤만한 에너지가 없기 때문이다.  인류는 더 작은 것들을 찾아 나서면서 광학현미경과 전자현미경이 발견됐지만 나노미터보다 훨씬 짝은 존재를 보려면 더 강력한 가속기(입자나 이온을 빛의 속도에 가깝게 빠른 속도로 가속시키는 장치)가 필요하다. 결국 아직 발견과 과학기술의 문제일 뿐 더 이상 쪼개지지 않는 입자는 영원히 존재하지 않을지도 모른다.