핵물리학
核物理學.
물리학의 한 분야로 원자핵에 관계되는 현상을 다루는 분야를 말한다.
'원자핵물리학'이라고도 하기 때문에 원자물리학과 혼동하기 쉽지만 다른 개념이다.
1. 역사
핵물리학의 태동기는 19세기 말~20세기 초다. 1896년 베크렐이 방사선을 발견하면서 핵물리학의 신호탄을 쏘았고 이후 본격적인 핵물리학 연구가 시작되었다.
양자역학이 연구되면서 원자의 더 작은 세계 까지 연구가 가능해 졌다.
2. 분야
오늘날 주로 논의되는 내용은 빅뱅 직후 만들어진 극한 상태의 핵물질인 쿼크-글루온 플라즈마와 쿼크와 글루온으로 구성된 양성자와 중성자의 (양성자와 중성자는 핵자라 부른다) 내부구조, 강입자의 특성 뿐만 아니라, 양성자와 중성자의 집합체인 원자핵내에서의 핵자 간 작용하는 핵력 상호작용 규명, 바닥상태와 들뜬상태의 원자핵의 크기, 모양, 진동 형태, 들뜬 에너지 등을 측정하고 이론적으로 연구한다. 특히 대형 중이온 가속기의 발전으로 4000여 종류로 추정되는 불안정한 원자핵(희귀동위원소)을 가속기와 분리장치를 이용하여 생성하고 이를 이용하여 그동안 알려지지 않은 핵의 특이 구조를 규명한다. 뿐만아니라 희귀동위원소 원자핵의 구조와 희귀동위원소와 안정한 원소 간의 핵반응을 측정하여 태양을 비롯한 별의 발생 에너지, 별의 내부 구조, 별의 진화, 초신성 폭발과 중성자별 간의 충돌과 같은 극한 상황에서 어떻게 철 이상의 무거운 원소들이 만들어지게 되는지를 연구한다.(이를 핵합성이라고 한다.)
중이온가속기를 통해 핵반응의 단면적, 반응률을 측정해 다양한 핵반응을 연구하고, 이를 별의 진화와 항성 내부 구조, 초신성 폭발과 같은 천체의 폭발 현상에 적용해서 천체핵물리라는 연구 분야가 새로 생겨났다.
최근 한국에도 중이온가속기 RAON이 건설되고 있어 앞으로 핵물리와 천체핵물리 분야의 연구 활성화가 기대되고 있다.
2.1. 고에너지 핵물리학
고에너지 핵물리학은 저에너지 핵물리학과 성격이 많이 다르다. 목적에 있어서 저에너지 핵물리학이 핵반응을 이해하는 데에 중점을 둔다면 고에너지 핵물리학은 양자색역학적 효과(점근적 자유, 쿼크-글루온 플라즈마, 상전이 등)를 이해하는 데에 중점을 둔다. 가속기를 이용한다는 면에서 입자물리학과 방법론을 많이 공유한다.
양성자 내부의 쿼크와 글루온이 드러날 만큼의 높은 에너지로 원자핵을 충돌시키는 실험을 한다. 쿼크나 글루온이 서로 주고받는 운동량이 충분히 클 때에만 양자색역학의 점근적 자유가 작용하여 쿼크와 글루온의 성질이 겉으로 나타난다. 대표적인 실험 시설인 RHIC이나 LHC를 예로 들면 RHIC에서는 핵자당 250 GeV, LHC에서는 핵자당 5.02 TeV 의 높은 에너지로 충돌을 일으킨다.
1970년대 물리학자들은 양자색역학의 점근적 자유를 원자핵의 충돌을 통해 확인할 수 있을 것으로 예측하였다. 이를 확인하기 위해 1986년 CERN의 SPS에서 처음 고에너지 원자핵 충돌 실험을 시작했다. 2000년에는 RHIC에서 충돌 실험을 시작했고 2005년엔 쿼크-글루온 플라즈마가 유체와 비슷하다는 것을 알아낸다. 2010년 LHC에서 원자핵의 충돌 실험을 시작했다.
2.2. 원자력과의 관계
흔히 원자력과 연관이 있다는 이야기를 많이 하는데, 반은 맞고 반은 틀린 이야기다. 원자력공학에서 다루는 핵자료 측정, 핵폐기물, 핵연료 재처리, 핵의학, 동위원소, 방사선, 핵연료 등은 핵물리학 전공자들이 연구할 수 있지만 원자로, 수송 이론, 핵융합, 플라즈마, 핵분열 등은 핵물리학자보다는 원자력공학자들의 영역에 가깝다. 다만 복수전공, 자격증 등을 통해서 핵물리학을 전공한 사람들이 원자력 분야로 진출하는 경우도 적지 않게 나온다.
3. 유명 핵물리학자
3.1. 실존인물
- 게오르기 플료로프
- 로버트 오펜하이머
- 루돌프 뫼스바워
- 마리 퀴리
- 마리아 괴페르트마이어
- 베크렐
- 벤 로위 모텔손
- 오토 한
- 어니스트 러더퍼드
- 오게 닐스 보어
- 엔리코 페르미
- 우젠슝
- 한인식 - 기초과학연구원 희귀 핵 연구단 단장. 국내 핵물리학 분야의 권위자이다.