현대 물리학 (Modern Physics)

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1 현대 물리학 (Modern Physics)
핵무기 의학 영상과 방사선

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

3 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

4 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/ 원자의 대부분의 질량 핵(nucleus)에 집중 핵의 지름: 약 10-15m보다 약간 큰 정도 Ex.) 소금: 1mm

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

6 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

7 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)

8 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.

9 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.

10 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

11 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

12 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

13 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.

14 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

15 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.

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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

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

22 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

23 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)

24 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)

25 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

26 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

27 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

28 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!!