현대 물리학 (Modern Physics) 핵무기 의학 영상과 방사선

현대물리학 대략 20세기 초 이후의 물리학 원자가 어떻게 구성되어있는지 (microscopic) 우주가 어떻게 움직이는지 (macroscopic) 양자역학 (quantum mechanics) 상대성 이론 (relativity) 우주론 (cosmology)

핵무기 배경 19세기 말: 전자기학의 완성 등 고전물리학의 절정모든 물리를 다 공부 했다고 믿었다. 고전 물리로 해결이 안 되는 문제들 흑체에서 방출되는 빛의 스펙트럼 광전효과 에테르(빛을 진행시키는 매질)의 존재 부정 원자폭탄 제조에 있어서 두 기본 물리 양자역학 상대성이론

핵 원자폭탄(A-bomb) 핵폭탄(Nuclear bomb, nuke)? 핵무기에서 방출되는 에너지는 원자에서 나온다기 보다 핵에서 발생 원자의 크기: 소금결정 한 변의 너비(약 1mm)에 약 720만개의 원자존재 원자의 구조 바깥에 전자(화학결합에 관여) 예: 나트륨+염소격렬한 반응빛과 열(에너지)방출+소금 원자폭탄(?) 화학적 에너지의 크기 제한되어있다 (비교적 작다)  뭘하기에? 도시를 부수기에?? 도시를 부수려면 보다 큰 에너지 필요 Einstein의 방정식 질량-에너지 등가성 (질량이 곧 에너지다!!) 물체가 에너지를 주변에 내놓음으로서 그 질량을 감소 시킬 수 있다. 화학 반응: 예) 나트륨+염소 소금 : 질량 변화 1/10000000000 원자의 대부분의 질량 핵(nucleus)에 집중 핵의 지름: 약 10-15m보다 약간 큰 정도 Ex.) 소금: 1mm

핵자(Nucleon) 핵자 핵자: 전자 질량의 2000배 나트륨 이온 (Na+): 10개의 전자  이온의 99.9999999999999% 차지 11개의 양성자 12개의 중성자 핵자 핵자: 전자 질량의 2000배 이온의 질량 중 99.975% 이온 전체적으로는 거의 빈공간에 가깝다

핵력(nuclear force) 핵을 이루는 핵자가 받는 힘: 같은 부호의 전하끼리 서로 밀치는 정전기적 반발력 같은 부호의 전하를 핵 안에 가두려고하는 인력핵력 짧은 거리: [핵력]>>[정전기적 척력] 먼 거리: [핵력]<< [정전기적 척력] 핵력은 에너지 장벽을 형성아주 큰 정전기 위치 에너지를 내포하고 있음에도 불구하고 핵자들이 흩어지지 않게 묶어놓는다 에너지 장벽을 넘을 수 있는 에너지를 가해 주지 않으면 영원히 핵은 그 상태를 유지 고전역학적 해석

하이젠베르크 불확정성 원리(Heisenberg Uncertainty Principle) 물리량 중에서 위치와 운동량 에너지와 시간  완전히 독립적인 물리량이 아니다.  어떤 정확도 이상 동시에 결정할 수 없다. 물질의 파동성에서 기인: 파동이 어느 한 점에 정확히 위치한다기 보다는 공간의 어떤 영역에 걸쳐 넓게 퍼진 상태로 분포하기 때문에 일반적으로 물체는 정확한 위치를 갖지 않는다. 물체의 질량이 작을 수록불확정성은 심해지고 정확한 위치를 찾기가 힘들어 진다. 핵안의 핵자들이 일반적으로 오랫동안 에너지 장벽 안에 갇혀 있지만 이 장벽을 뛰어 넘을 수 있는 확률이 존재. 이때 핵자들은 갑자기 서로의 결합에서 풀려나게 되고 양전하 사이의 정전기적 반발력으로 인해 방사성 붕괴(radioactive decay)라고 하는 과정을 거치며 서로 밀치게 된다. 터널링(tunneling)

Schematic Diagram of the Tunneling 정전기력에 의한 반발력 핵자 터널링 r r0 핵력에 의한 에너지 장벽 핵 내의 양성자 개수가 많을 수록 반발력 강해지고방사 붕괴를 일으킬 가능성도 커진다. 중성자를 핵 내에 더 투입하면양전하를 추가 하지 않고도 핵의 크기를 크게 하여 양성자와 양성자 사이의 반발력을 줄일 수 있다.

터널링 양성자 수가 적은 경우 핵력이 강하다핵자들이 한번 뭉치면 (결코)떨어지지 않는다 양성자수가 많은 경우전기적 반발력이 비교적 커진다핵력이 핵자들을 오랫동안 잡아두지 못한다빠르게 붕괴 핵자들의 평균 결합 에너지(핵자들을 하나씩 분리해내는데 들어가는 에너지를 전체 핵자수로 나눈 값)  양성자와 중성자의 개수에 비례하여 증가 양성자가 26개 정도인 핵중간정도에 해당 끌어당기는 핵력과 정전기적 척력이 서로 상쇄 상당히 안정되어 있어서 핵자를 빼내거나 집어넣어도 핵자들 사이의 평균 결합에너지는 증가하지 않는다. 양성자가 26이하인 핵 중간 크기에 도달하기 위해 위치에너지를 방출 할 수 있다. 양성자가 26이상인 핵 중간 크기로 축소 되기 위해 위치 에너지를 방출할 수 있다.

핵융합/핵분열 핵융합 (nuclear fusion): 작은 핵이 커지기 위해서  핵자를 일단 밀어넣으면 핵력에 의해서 결합하고 많은 양의 위치 에너지 방출 핵분열 (nuclear fission): 큰 핵이 줄어들기 위해서핵자를 분리정전기적 반발력도 이 입자들을 밀쳐내면서 많은 양의 위치 에너지 방출 핵 융합/분열시 나오는 에너지는 화학적 에너지에 비해 대단히 큰 양이다 에너지의 양은 Q 핵융합 핵분열

방사성 붕괴와 핵분열 폭탄 앙투완 앙리 베크렐(Antoine-Henri Becquerel): 자연적으로 발생하는 붕괴현상 발견 마리 퀴리(Marie Curie) 피에르 퀴리(Pierre Curie): 여러 새로운 방사성 원소 발견 러더퍼드(Ernest Rutherford): 핵발견, 계속해서 큰 에너지를 가진 헬륨 핵으로 핵들을 때릴 때 이 핵들이 부서질 수 있음을 발견 채드윅(J. Chadwick): 중성자 발견 페르미(Enrico Fermi): 우라늄에 중성자를 추가하면 대단히 짧은 시간 동안 진행되는 방사성계가 생기는것을 관찰아주 무거운 핵을 형성했다 생각했음 Meitner, Frisch, Hahn, Strassmann: 페르미의 연구가 우라늄을 가벼운 핵으로 쪼갠 것이었음을 밝힘 유도 핵분열 (induced fussion)의 결과물또다시 다른 핵 분열을 유발 시킬 수 있는 중성자들

연쇄반응(Chain Reaction) Keanu Reeves?? 한 우라늄의 핵분열이 인접한 두 우라늄의 핵분열 유도 분열된 두 우라늄이 다시 각각 두 개씩의 핵분열 유발 연쇄반응 우라늄 한 조각에 있는 대부분의 핵이 붕괴엄청난 양의 에너지 방출

핵 분열 폭탄 다음 4가지의 조건이 만족 되어야 한다 폭발을 시작하게 하는 중성자원이 폭탄 안에 존재해야 한다 폭탄을 구성하는 핵들은 분열 가능해야 한다 (중성자에 충돌하면 분열해야 한다.) 모든 유도된 분열에서 쓰여진 중성자보다 더 많은 중성자가 생성되어야 한다. 폭탄은 방출된 중성자를 효율적으로 사용하여 각 분열이 그 다음 단계에서 평균 1회 이상 분열을 유도 할 수 있어야 한다. 많은 방사성 원소가 첫 번째 조건은 쉽게 만족 두 번째 세 번째 조건 때문에 우라늄 사용우라늄은 분열이 가능하고 쓰여진 중성자보다 더 많은 중성자를 방출한다.

동위원소(isotope) 양성자수와 전자 수는 동일하다. 중성자수가 다르다 우라늄의 경우 235U, 238U 의 두 종류 동위원소가 존재 235U: 양성자 92개, 중성자 143개235개의 핵자 238U: 양성자 92개, 중성자 146개238개의 핵자 폭탄 제조에 적합한 것은 235U 143개의 중성자가 희석하여 겨우 안정된 핵 반감기(half-life) 7억 1천만년 중성자가 충돌하면 쉽게 분열하여 약 2.5개의 중성자를 내놓는다. 쉽게 붕괴되어 결국 0.72%정도 자연에 존재 238U: 조금 더 안정하고 반감기는 45억 1천만년 중성자를 흡수해도 분열하지 않고 플루토늄(239Pu)로 변환되는 핵변화를 거친다. 플루토늄핵무기에 사용!!!! 우라늄의 99%이상을 차지 플루토늄(239Pu): 반감기 24,400년, 비교적 불안정한 핵 중성자와 충돌하면 쉽게 분열하며 평균 3개의 중성자 방출

임계질량 핵폭탄을 만들기 위한 마지막 조건 우라늄 덩어리중성자를 마구 흡수하지 못하고 매우 많은 중성자를 그 표면을 통하여 빠져나가게 한다덩어리가 충분히 커야 하고, 표면적을 최소화 해야 한다구 연쇄반응이 시작 될 수 있는 구의 임계질량(critical mass) 52kg 분열을 2회 이상 유도하기 위해서는 60kg정도가 필요(초임계 질량:supercritical mass) 임계 질량을 지나면 자연적으로 폭발 시작기술적 어려움.

핵융합/수소 폭탄 핵융합: 작은 핵이 합쳐질때 나오는 에너지 이용 별: 수소 핵을 헬륨 핵으로 융합하는 과정에서 에너지 얻음 융합과정을 일으키기 위해서는 양성자들을 충분히 가까이 하여 핵력이 이들을 붇들을 수 있게 해야 한다 양성자를 뜨겁게 하여 충돌시킨다 핵융합 폭탄에 응용(?)—fusion bomb, 열핵폭탄(thermonuculear bomb), 수소 폭탄(hydrogen bomb) 수소를 약 1억도 까지 가열 중수소(2H)와 삼중수소(3H)사용 수소 (1H) : 양성자 1개 중수소: 양성자 중성자 각각 1개씩 삼중수소: 양성자 1개 중성자 2개 중수소의 핵이 삼중수소와 충돌하여 헬륨(4He) 핵과 자유 중성자 한 개로 변환 본래 질량의 0.3%정도가 에너지로 전환

열/방사선/낙진 핵분열/융합 후의 일: 엄청난 수의 핵과 원자 구성물질이 빛에 가까운 속도로 튀어 나온다주변의 분자/원자들과 충돌하여 온도를 엄청나게 상승시킨다.(초고온 불덩어리 생성) 섬광: 일부는 핵분열/융합과정에서 생성, 일부는 초고온 불덩어리에서 유발가시광선,적외선,자외선, X선, 감마선 등 거의 모든 전자기파 생성 초고온 불덩어리주변 공기에 거대한 압력의 소용돌이 야기충격파가 먼 거리까지 전파 주위의 공기는 희박/가열 부력에 의해 위로 올라가 버섯구름 생성 방사성물질우리 몸에 흡수여러 화학 반응에 관여하기도 하고 몸 속에서 붕괴 되면서 핵에너지 방출세포를 죽이거나 유전적 정보에 손상

의학 영상과 방사선 X선 X선: 라디오파, 마이크로파 등과 같은 전자기파 뢴트겐– 진공관에서 전기 방전 실험도중 진공관에서 약간 떨어진 인광 물질의 스크린이 빛나는걸 관측어떤 방사선이 진공관에서 방출되어 스크린을 형광 시킨 것이었다. 방사선의 경로에 다양한 물질을 위치시켜 보았으나 막지 못하였다. 자기 손을 스크린 앞에 놓고 자기 뼈의 그림자 영상을 보게 되었다. X선: 라디오파, 마이크로파 등과 같은 전자기파 매우 높은 진동수와 짧은 파장 전자기파의 에너지  각각의 광자의 에너지

X선 생성 의료용 X 선: 빨리 움직이는 전자를 무거운 원자에 충돌 시킴으로서 얻는다 제동복사: 대전된 입자가 (매우 빨리) 가속될 때 발생 X선 형광: 빨리 움직이는 전자가 무거운 원자의 안쪽 전자와 충돌해서 그 전자를 원자의 밖으로 완전히 내보낸다. 이 충돌에 의해 원자는 핵에 가까운 궤도가 빈 양이온으로 된다 이 이온의 바깥 궤도 전자들이 안 궤도로 이동하는 복사 전이를 하면서 에너지 방출x선

영상을 위한 X선의 이용 의학에서의 X선의 사용 영상: 방사선 치료: 영상 방사선 치료 X선의 광자 에너지~약 87,000eV 1eV: 전자가 1V의 전위차에서 가속되어 얻게 되는 에너지 X선에 의한 조직 파괴 가능병에 걸린 조직 파괴

X선 광자와 조직과 상호작용 탄성산란 광전효과 콤프턴산란 전자-양성자 쌍 생성

탄성산란 하늘이 파랗게 보이게 하는 이유와 동일한 작용 원자가 지가가는 전가기파에 대하여 안테나처럼 작용하여 에너지를 흡수한 후 그 에너지를 변화 없이 모두 다시 방출 하는 것 원자에 어떤 영향도 미치지 않는다방사선 치료에 별로 중요하지 않음

광전효과 X선 영상을 가능케 한다 지나가는 X선의 광자가 원자의 복사 전이를 유도 광자의 에너지 중 일부는 전자를 원자로 부터 분리 시키는데 사용되고 나머지는 전자의 운동에너지로 저장된다. 광전자 방출이 발생할 가능성은 방출된 전자의 운동에너지가 증가할수록 감소큰원자는 x선을 잘 흡수 한다(뼈안의 칼슘/인)

치료를 위한 X선 콤프턴 산란 X선 광자가 한 전자와 충돌하여 두 입자가 서로 튕겨져 나갈때 발생 (상대론적 기술 필요) 충돌하는 당구공과 비슷한 상황 1,000,000eV의 광자이용대부분의 광자는 그냥 통과 하지만 작은 부분은 콤프턴 산란으로 에너지를 몸속에 남긴다이 에너지가 세포를 파괴하는데 사용될 수 있다.(종양 파괴)

전자-양전자 생성 양전자(positron): 전자와 전하만 반대인 입자 (반물질) 1,022,000eV이상의 X선이 원자를 통과할때 전자-양전자 쌍생성 발생 고에너지 하에서만 반물질 생성 가능 고에너지로 생성된 양전자는 곧 전자와 결합하여 서로 소멸되고 질량의 손실만큼 에너지 발생전체 에너지가 1,022,000eV인 에너지 발생 종양 소멸에 사용

감마선 매우 높은 에너지를 얻기 위한 쉬운 방법으로 방사성 동위원소 붕괴 사용 코발트60(60Co)너무 많은 중성자를 가지고 있어 불안정일련의 변환을 거쳐 두 개의 광자 생성 (1,170,000eV, 1,330,000eV) 종양 파괴에 주로 사용 60Co의 중성자중 하나가 세입자 양성자, 전자, 중성미자 (반중성미자)로 변화: 베타붕괴 60Ni로 변화 중성자끼리 모여 있거나 핵 내에 너무 많은 중성자가 있는 경우 베타붕괴 중성미자(neutrino): 전하도 없고 질량이 거의 없다. 광속에 가까운 속도로 이동 측정도 어렵다 약력(weak force)만을 받는다 중력, 전자기력, 강력등에는 무관 붕괴에 의해 생성된 양성자와 중성자는 붕귀 전의 중성자의 에너지보다 적은 에너지를 갖는다무언가 잃어버린게 있음중성미자 60Ni의 핵 들뜬상태에 있다바닥 상태로 돌아오기 위해 두번의 복사 전이를 거치고이 과정에서 매우 높은 에너지의 광자를 만든다(1,170,000eV)감마선

입자 가속기 전자/양성자 같은 입자를 치료에 사용 빨리 움직이는 입자종양 내부 원자와 충돌시켜 세포 파괴 선형 가속기대전 입자는 연속적인 공진기의 전기장에 의하여 앞쪽으로 가속 거의 광속에 가까운 속도로 운동하는 대전입자를 얻는다 이와 같이 큰 에너지를 가지는 입자를 치료에 이용

자기 공명 영상(MRI) Magnetic resonance imaging 몸 속의 수소 원자의 자기 핵과 상호 작용이용 수소: 물/유기 분자속에 공통으로 존재 수소 분자를 찾는 것은 생물 조직 연구에 도움 수소 원자의 핵: 양성자전하가 회전하는 공 같은 형태(spin)자기장 형성 외부의 자기장에 의해 스핀 상태 결정 (업 또는 다운이 과잉) 라디오파 광자를 사용하여 스핀 업인 양성자를 스핀 다운 양성자로 되돌리면서 에너지를 잃는다. 환자 몸 속의 양성자가 모두 같은 방향이면단일 에너지의 라디오파 필요 양성자들의 스핀 방향에 따라흡수되어지는 라디오파의 에너지가 다르다 선택적인 흡수를 이용하여 환자 내부의 양성자를 찾는 방법 수소 원자의 지도를 만든다!!