우주는 어떻게 시작되었을까? 빅뱅 직후의 우주 물질의 생성

학습 목표 빅뱅으로 우주의 탄생과 물질의 생성 과정을 설명할 수 있다.

학습 개요 1. 빅뱅 직후의 우주 빅뱅 우주의 진화 2. 물질의 생성 양성자와 중성자 양성자와 중성자의 형성

도입 활동 우리는 우주의 시작을 볼 수 있을까? 약 137억 년 전 어느 순간 우주는 거대한 폭발을 일으키며 탄생하였다. 우주의 탄생으로 물질이 생성되었고, 오늘날에 이르기까지 우주는 계속 팽창하고 있다.

1. 빅뱅 직후의 우주 ① 빅뱅 아무것도 없는 무의 세계에서 어느 순간에 거대한 폭발을 일으켜 지금의 우주가 탄생하였다. 이를 ( )이라고 한다. 빅뱅

1. 빅뱅 직후의 우주 ① 빅뱅 초기의 우주에는 빛을 포함하여 여러 종류의 ( )가 형성되었다. 이때 만들어진 소립자는 물질을 구성하는 입자인 ( )와 ( ) 등이었다. 또 이와는 반대의 성질을 갖는 반입자인 반쿼크와 양전자도 존재하였다. 소립자란 물질을 나누었을 때 더 이상 구분할 수 없는 ( ) 물질들이다. 소립자 쿼크 전자 가장 작은

1. 빅뱅 직후의 우주 ② 우주의 진화 우주의 시대 플랑크 시대 대통일 시대 악전자기 시대 4가지 기본 힘이 구분 되지 않고 하나의 형태로 존재하였다. ➠ 빅뱅 이후 10–43 초 까지 대통일 시대 우주의 팽창과 냉각이 시작되면서 중력이 분리되기 시작했다. ➠ 10–43 초 ~ 10–36 초 사이 악전자기 시대 균일한 팽창이 급속하게 일어나면서 강한 힘이 분리되었다. ➠ 10–36 초 에서 10–12 초 사이 쿼크의 시대 전자기력과 약한 힘이 분리되어 오늘날과 같은 모습이 되었다. ➠ 10–12 초에서 10–6 초 사이 하드론 시대 우주가 식어가면서 3개의 쿼크로 양성자와 중성자 등이 형성되었다. ➠ 10–6 초에서 1 초 사이 렙톤 시대 전자를 비롯한 렙톤이 우주를 지배했다. ➠ 1초에서 10초 사이

1. 빅뱅 직후의 우주 ② 우주의 시대 입자의 쌍생성과 쌍소멸 : 높은 에너지를 가진 빛이 순간적으로 입자와 반입자를 생성하고 사라지는 경우 : 입자와 반입자가 서로 충돌할 때 순간적으로 소멸하면서 빛을 방출한다. 쌍생성 쌍소멸

2. 물질의 생성 ① 양성자와 중성자 ( )는 업쿼크 2개와 다운 쿼크 1개, ( )는 업쿼크 1개와 다운 쿼크 2개가 결합하여 생성된다. 물질을 구성하는 기본 입자의 종류는 ( )와 ( )으로 구분한다. 양성자 중성자 쿼크 렙톤

2. 물질의 생성 ① 양성자와 중성자 업 쿼크, 다운 쿼크, 전자, 전자 뉴트리노는 물질을 구성하며 나머지 입자들은 초고에너지 상태에서만 존재한다. 쿼크 기호명칭 μ u p c charm t top d down s strange b bottom 렙톤 υ electron eutrino muon neutrino tau neutrino е τ tau μ е τ

2. 물질의 생성 ② 양성자와 중성자의 형성 우주가 탄생하고 약 10-6 초 후 ( )하여 양성자와 중성자를 생성한다. 우주가 탄생하고 약 10-6 초 후 ( )하여 양성자와 중성자를 생성한다. 쿼크가 결합

2. 물질의 생성 ② 양성자와 중성자의 형성 다운 쿼크의 질량이 업 쿼크의 질량보다 ( ), 생성된 중성자의 질량이 양성자의 질량보다 약 0.1% 더 컸다. 시간이 지나 우주의 온도가 더 낮아지자 중성자보다는 양성자가 많이 남게 되었다. 결과적으로 양성자와 중성자의 비율은 ( )에 이르게 되었다. 조금 더 컸으므로 8:1

2. 물질의 생성 ③ 자연계의 기본 힘 자연계에서 물질들 사이에 영향을 미치는 기본 상호 작용은 네 가지로 구분된다. 네 가지 기본 상호 작용은 ( ), ( ), ( ), ( )이다. 중력: ( ) 사이에 작용하는 인력이다. 전자기력: ( ) 사이에 작용하는 힘( 정지해 있는 전하 ): 정전기력, 운동하는 전하: 전기력+자기력)이다. 강한 상호 작용: 원자핵 속의 핵자들을 핵 속에 묶어 놓는 힘으로, ( ). 약한 상호 작용: 원자핵의 변환 과정에 나타나는 힘이다. 중력 전자기력 강한 상호 작용 약한 상호 작용 질량을 가진 물체 전하를 가진 입자 핵력이라고도 한다

정리 및 평가 <물음 1> 그림은 초기 우주에서 입자의 생성과 소멸을 표현한 것이다. 각각의 경우를 무엇이라고 하는지 써 보자. (1) 쌍생성 (2) 쌍소멸

정리 및 평가 <물음 2> 양성자와 중성자가 각각 60개씩 서로 섞여 있는 원시 우주에서 수소와 헬륨의 질량비가 수소 : 헬륨 = 1 : 1이라고 한다면, 원시 우주에서 생성되는 헬륨 원자는 모두 몇 개인가? 단, 헬륨 원자의 질량은 수소 원자 질량의 약 4배이다. 10개

3. 우주의 탄생 이후 양성자와 중성자는 어떤 과정을 통해 생성되었는가? 정리 및 평가 3. 우주의 탄생 이후 양성자와 중성자는 어떤 과정을 통해 생성되었는가? 초기 우주는 온도가 아주 높아 쿼크들이 자유롭게 움직였으므로 양성자나 중성자는 존재하지 않았다. 이후 우주가 더욱 팽창하여 온도가 더 내려가자 우주 공간을 자유롭게 움직이던 쿼크들이 서로 결합하면서 양성자와 중성자를 생성했다.

4. 창의▪인성 : 양성자와 중성자의 질량이 서로 같았다면 우주의 모습은 지금과는 어떻게 달라졌을지 토의해 보자. 정리 및 평가 4. 창의▪인성 : 양성자와 중성자의 질량이 서로 같았다면 우주의 모습은 지금과는 어떻게 달라졌을지 토의해 보자. 양성자와 중성자의 질량이 서로 같았다면 우주 초기에 중성자의 수가 줄어들지 않아 양성자와 중성자의 비율은 1:1이 된다. 이 경우 수소 원자핵 보다는 헬륨 원자핵이 더 많아지게 되며, 이 때문에 우주 공간에 존재하는 별들 중 많은 수가 헬륨의 핵을 가지게 된다. 헬륨의 핵을 가진 별들은 수소의 핵을 가진 별보다 상대적으로 수명이 짧다. 따라서 우주 공간에 존재하는 별들은 지금과는 매우 다른 모습으로 존재하게 될 것이다.

차시 예고 4차시 우주는 어떻게 변화되어 왔을까?