반물질

 

자연에 존재하는 물질을 쪼개고 쪼개고 쪼개면 맨 나중에 무엇이 남을까요? 이렇게 맨 마지막에 남는 입자를 기본입자라고 합니다.

 

기본입자는 모두 12개로 되어 있습니다. 이 12개 3개의 가족으로 나뉩니다.

 

각 가족은 두 개의 쿼크와 두 개의 렙톤으로 이루어져 있습니다.

 

가장 아래 가족이 u, d 쿼크와 전자 그리고 전자뉴트리노라는 입자입니다.

 

우리 주위의 물질은 모두 이 맨 아래 가족으로 이루어져 있습니다.

 

원자 속에는 원자핵과 전자가 들어 있고 원자핵 속에는 양성자와 중성자가 들어 있는데

 

양성자는 u쿼크 두 개, d 쿼크 한 개로 이루어져 있고 중성자는 u 쿼크 한개 d 쿼크 두 개로 되어 있습니다.

 

이렇게 기본이 되는 입자에는 대응하여 반입자가 존재합니다.

 

u 쿼크에는 반 u 쿼크가, d 쿼크에는 반 d 쿼크가, 전자에는 반전자가 (이것을 양전자라 부르지요) 그리고 전자뉴트리노에는 반전자뉴트리노가 존재합니다.

 

이렇게 대응하는 입자와 반입자는 질량이 같고 그 밖에 다른 성질들이 같고 전하가 반대입니다.

 

u 쿼크는 2/3 e 인 전하를 가지고 있는데 반 u 쿼크는 - 2/3 e 인 전하를 가지고 있습니다.

 

전자의 전하는 -e 인데, 반전자(양전자)의 전하는 +e 입니다.

 

그리고 입자와 그 입자에 대응하는 반입자가 접촉하면 순수한 에너지로 바뀝니다. 물론 순수한 에너지에서 입자가 나올 수 도 있는데 그런 때는 입자와 그 입자에 대응하는 반입자가 함께 만들어져야만 합니다.

 

이제 2개의 u 쿼크와 한 개의 d 쿼크로 만들어진게 양성자라고 했는데, 반양성자는 두 개의 반 u 쿼크와 한 개의 반 d 쿼크로 만들어집니다.

 

양성자 주위에 전자가 도는 것이 수소 원자인데, 반양성자 주위에 양전자가 회전하는 것이 반 수소 원자입니다.

 

그리고 입자와 그 입자에 대응하는 반입자가 접촉하여 소멸되면 두 입자의 질량에 대응하는 에너지를 갖는 순수한 에너지가 전자기파의 형태로 나오게 됩니다.

 

 

반물질은

 

20세기 초반

 

영국의 물리학자 디락(Paul. Dirac)에 의해서

 

처음 알려지게 되었고 몇년후 그 존재가 확인되었죠

 

20세기 초반에는 물리학의 과도기라고 할 정도로

 

고전물리학(고전역학과 고전전자기학, 통계물리학, 광학 등)에서

 

점차 현대화되어가는 과정이에요

 

아인슈타인의 상대론이 나오고

 

플랑크의 양자가설로부터 시작되어 보어의 원자모형에 이르는

 

양자역학의 탄생이 시작되죠

 

한참 양자역학이 자리잡게 되고 그러면서부터 물리학에서는 아주 작은 미시세계를

 

연구하고 있었는데 양자역학을 이용하여 수소원자등을 분석해본 결과

 

실험결과와 자꾸 어긋나게 됩니다 이것을 디락이

 

양자역학에 아인슈타인의 상대론을 통일시켜서 완벽하게 설명하게 됩니다

 

이때 나온 디락의 방정식(Dirac's equations)에서 바로 반물질이 예견됩니다

 

이 방정식을 풀게되면 방정식의 해가 두개가 나오는데 하나는 우리가 알고있는 물질에 대한 해이고

 

다른 하나가 바로 관측되지도 않던 반물질이었던 것이죠

 

서론이 굉장히 길었네요

 

이렇게 예견된 반물질이란

 

기존의 물질과 같지만 다른놈입니다 마치 내가 거울을 보면

 

내가 물질이 되고 거울에 보이는 나의 모습(상)이 반물질이라고 생각하시면 되겠네요

 

(올바른 예시는 아니지만 이렇게 생각할 수 있어요)

 

실제적인 예를 들어서 전자라는 입자가 있는데 이것은 입자입니다

 

이 전자의 반입자는 양전자라고해서

 

전자와 질량도 같고 스핀(입자가 가지는 특징이에요)도 같은데 전하가 반대에요

 

전자는 -전하를 갖는데 양전자는 +전하를 갖게됩니다

 

(사실 반입자는 전하의 부호뿐만 아니라 다른 물리량도 반대를 갖지만

 

어려운 내용이기 때문에 이정도만 아셔도 돼요 ㅎ)

 

수소는 전자하나와 양성자 하나도 이루어져있어요

 

이것은 물질입니다

 

그렇다면 전자의 반입자인 양전자와

 

양성자의 반입자인 반양성자(반양성자의 전하부호는 -입니다)로 이루어진 물질은

 

반수소라고 해서 실제로 연구소에서 만들수 있고, 많이 만들었어요

 

그리고

 

헛소리인지는 모르겠지만 반물질이랑 물질이랑 만나면 쌍소멸되고 E=mc^2에 의해서 엄청난

양의 에너지가 방출된다던데 이거 사실이에요??

 

이것은 헛소리가 아니라 정말이에요

 

수소와 반수소가 만난다면 그 둘의 질량은 완전히 소멸됩니다

 

그러면서 둘의 질량에 광속을 곱한 만큼의 에너지가 방출됩니다

 

간단하게 수소 1g과 반수소 1g이 만나서 소멸된다고 하면

 

이때 방출되는 에너지는

 

 이에요

 

엄청나죠? 보통 70kg의 남자를 1m들어올릴때 필요한 일의 양이 700J인걸 생각하면

 

2600억배만큼의 에너지네요 단지 1g의 수소와 반수소가 소멸되었을 뿐인데

 

이해가 안되거나 더 궁금한 점이 있으시면 언제든지 쪽지남겨주세요~

나름 물리교육과에 재학중인 나의 머리

 

빅뱅(대폭발) 이후 물질과 반물질(antimatter)은 같은 양으로 존재했으나 반물질이 순식간에 더 많이 붕괴돼 사라짐으로써 '물질 세계'가 되어 오늘의 우주가 존재하게 됐다는 점이 밝혀졌다.

한국 일본 미국 등 14개국 과학자들이 참여하고 있는 국제연구팀인 '벨 그룹'은 23일 이탈리아 로마에서 열린 '국제 고에너지 물리학 학술회의'에서 "물질과 반물질의 붕괴율이 서로 다르다는 사실을 밝혀냈다"고 발표했다.

 연구팀은 일본 쓰꾸바에 있는 대형 입자가속기에서 원자를 구성하는 우주에서 가장 작은 입자인 소립자 중 하나인 'B-중간자'와 '반 B-중간자' 3000만 쌍을 만들어 실험한 결과 반 B-중간자의 붕괴율이 B-중간자보다 크다는 사실을 입증했다고 말했다.

연구팀은 반물질과 충돌하지 않고 '살아남은' 물질이 현재의 우주를 만들게 된 것으로 보고 있다.

물질과 반물질은 충돌하면 소멸되기 때문에 반물질이 물질과 똑같은 양으로 존재했다면 현재의 우주가 탄생할 수 없다는 설명이다.

벨 그룹의 한국 대표인 서울대 김선기 교수(물리학과)는 "물질과 반물질의 붕괴 양상이 다르다는 것은 1964년 미국의 발 피치 박사 등이 일부 소립자에서 처음 발견해 노벨상을 받았으나 모든 소립자에 적용하지는 못해왔다"며 "이번 결과는 우주가 어떻게 탄생하고 존재할 수 있었느냐에 대해 중요한 단서를 제공할 것"이라고 말했다.

 

ㅣ반물질ㅣ 전자와 양성자, 중성자로 이루어지는 실재의 물질에 대하여 그 반입자(反粒子)인 양전자, 반양성자, 반중성자로 이루어진다.

즉 물질은 현재 우리가 접하고 있는 전자 등이며 반물질은 거울속 모습처럼 전자 등과 대칭되는 것으로 다른 성질은 거의 같지만 전기적 성질인 '전하'는 다르다.

예를 들어 전자는 마이너스(-)지만, 반전자는 플러스(+)다.