제2장: 원자와 양자의 형태/움직임에 관하여 (9)
모든 존재를 이루는 원자와 양자의 형태와 움직임에 관해
사진출처:http://wiki.hash.kr/index.php/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:%EA%B2%BD%EC%88%98%EC%86%8C, _%EC%A4%91%EC%88%98%EC%86%8C, _%EC%82%BC%EC%A4%91%EC%88%98%EC%86%8C%EB%A5%BC_%EB%82%98%ED%83%80%EB%82%B8_%EA%B7%B8%EB%A6%BC.jpg
이 세상을 이루고 있는 원자는 가장 기본적인 형태와 움직임으로 수소원자를 이룬다. 위의 그림은 수소원자의 실체적 시공간만을 표현한 것으로 수소 원자는 동시에 파동으로 존재한다. 수소원자의 파동 모형은 수소원자의 오비탈을 보면 알 수 있다.
수소원자를 파동함수로 표현 : 수소원자 오비탈의 모습
위의 사진을 보면 하나의 의문이 발생됩니다. 2개 이상의 양성자를 묶을 때는 척력을 저지하는 강력이 존재한다고 증명될 수 있지만 1개만이 존재할 때(중수소)는 어떻게 안정적으로 존재할 수 있는 걸까요? 강력이 2개 이상의 양성자가 서로 밀쳐내는 전자기력(척력)을 저항한다면 양성자 1개와 중성자 1개(혹은 그 이상이) 붙어 있을 때는 어떻게 강력을 증명할 수 있으며 이 강력을 통해 중성자는 어떻게 안정된 상태를 유지할까요?
그리고 전자는 하나의 스핀 값으로 존재하는 반면 원자핵의 양성자와 중성자는 서로 붙어 있는 것만으로 원자핵이라는 하나의 스핀값을 형성한다고 할 수 있을까요? 사과랑 바나나가 서로 붙어 있다고 어떤 하나를 이루고 있다고 할 수 있는 걸까요? 또한, (중성)종이에 자석을 붙인다고 종이가 자석이 되는 것이 아닌 것처럼 중성자는 양성자와 강력으로 붙는다고 해서 전하를 띄어 안정적인 상태가 될 수 있는 걸까요? 그저 강력이 붙어 있는 힘이라면 동위원소에서 중성자 수와 양성자 수의 비율과 총개수에 따라 불안정해지는 이유를 설명할 수 있을까요? 양성자 1개와 전자 1개가 결합되어 이루고 있는 수소원자는 순환에 따라 모든 기본 힘을 가지고 있어야 하는데 강력은 어떻게 증명될 수 있을까요?
위의 의문들은 강력이 단순히 전자기적 척력을 이겨내는 것뿐만 아니라 양성자와 중성자를 이루는 쿼크들의 상호작용을 이루는 힘으로서 존재함을 의미합니다. 양성자와 중성자는 쿼크들로 이루어져 있기에 이 쿼크들 사이에서 어떤 상호작용이 발생되고 있으며 이 상호작용이 전자기력에 의한 상호작용보다 매우 강하게 이루어지는 것입니다. 이 상호작용은 일단 시공간 순환에 따라 원자핵을 이루는 양성자, 중성자가 어떤 입자들의 지속적인 움직임이 발생되고 있음을 의미합니다. 모든 존재는 확률적/실체적 시간과 공간을 가져야 하는데 실체적 시공간에서 전자의 입장으로 바라봤을 때 원자핵은 움직이지 않는다는 점에서 어떤 입자의 움직임이 있는 것입니다. 이 입자의 움직임이 쿼크들을 하나로 묶는 것으로 강력이 되며, 이로써 양성자와 중성자는 단독으로 존재할 때도 (3개의 쿼크가 하나로 연결되어 존재하는 것만으로) 강력을 증명할 수 있는 것입니다.
시작으로 양성자를 보면 up쿼크 2개와 down쿼크 1개가 뭉쳐져 있으며 각각의 쿼크들은 ‘글루온’이라는 입자를 주고받으면서 서로 상호작용하고 있습니다. 이 글루온은 쿼크들의 색전하(QCD : 강력을 설명하기 위한 양자 색역학 이론)를 끊임없이 변화시킴과 동시에 변화된 쿼크들은 각자가 갖고 있는 3가지의 색전하가 중성으로 유지될 수 있게 글루온을 발산하게 됩니다. 이렇게 글루온은 계속해서 쿼크들 사이에서 돌아다니게 되고 양성자/중성자는 색전하의 중성을 맞추기 위해 끊임없이 글루온을 통해 변화되는 것입니다.
*중성자의 강력: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%89%EC%A0%84%ED%95%98#/media/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Neutron_QCD_Animation.gif
그리고 중성자와 양성자를 묶는 (핵력을 기반하는) 강력은 양성자와 중성자 내부의 글루온이 색전하에 따른 ‘다운쿼크’와 ‘반다운쿼크’를 형성함에 따라 ‘파이온’이 형성되면서 만들어집니다. 이 파이온이 형성된 반/다운쿼크를 양성자와 중성자가 서로 상호 교환하면서 동시에 강력을 공유하고 색전하를 중성으로 유지시킬 때 강력으로서 양성자와 중성자는 붙어 있을 수 있는 것입니다. 여기서 중성자와 양성자의 이러한 상호작용이 동시에 색조합의 중성을 이룰 수 있다는 점에서 2개 이상의 양성자는 중성자와 함께 있을 때 안정적으로 존재할 수 있는 것입니다. 그리고 이렇게 양성자는 여러 개의 중성자와 결합되고 이 중성자가 시공간의 균형에 따라 약력을 통해 붕괴(전자 + 양성자)되면서 더 무거운 원자가 형성되는 것입니다. (시공간 균형에 따른 붕괴는 뒤에서 바로 설명)
*중성자와 양성자의 강력(핵력을 형성) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nuclear_Force_anim_smaller.gif
이는 원자핵에서 중성자와 양성자의 불균형과 균형이 계속해서 변화되는 것으로 안정과 불안정이 중첩된 상태를 이루고 있음을 의미합니다. 이러한 양성자와 중성자의 상호작용으로 원자핵은 하나의 스핀 값을 갖게 되고 자체적인 전하의 움직임으로 자기장을 형성하는 것입니다. 이 자기장은 +전하를 띄는 원자핵의 움직임으로서 -전하를 띈 전자가 가지고 있는 자기장과 상반된 방향으로 형성되고 하나의 정상파를 이루는 것입니다. 이렇게 실체적 시공간의 기준으로서 확률적 시공간과 중첩을 이루는데 필연적인 원자핵은 강력을 통해 순환하여 존재하며 중성자와 양성자가 이렇게 존재하는 이유는 시공간이 순환하여 존재하기 때문입니다.
*양성자와 중성자를 이루는 쿼크의 조합이 불안정과 안정의 상태를 중첩으로 가진 다는 것은 쿼크와 글루온의 움직임이 빛의 속도와 비슷하다는 것을 의미한다. 만약 빛의 속도보다 크게 느리다면 외부 관찰에 의해 하나의 상태가 결정되어 중첩의 상태가 붕괴될 것이기 때문이다. 동시에 분명 질량을 가지고 있으므로 빛보다는 아주 조금 느릴 것이다. 실제로 쿼크의 속도는 불확정성 원리에 따라 0.9998c를 가진다.
*베타붕괴가 발생될 때 중성미자나 감마선 등이 발생되는 근본적인 이유
양성자와 양성자가 핵융합으로 결합하거나 중성자가 ‘양성자+전자’로 붕괴될 때와 같이 어떤 존재의 실체적/확률적 시공간에 변동이 발생될 때 중성미자와 감마선 등을 방출하는 이유는 자체적으로 시간과 공간의 밸런스를 맞추기 위함도 있지만 이러한 에너지로 인해 주변에 존재하는 불안정한 원자/양자를 안정되게 하거나 안정된 원자/양자를 불안정하게 만들 수 있기 때문이다. 만약 이러한 작용이 없었더라면 시공간의 모든 존재와 현상들은 중력(실체적 시공간)에 따른 일방적인 방향에 따라 움직이는 확률적 시공간으로 존재했을 것인데, 이는 순환에 부합되지 않는다. 무엇보다도 각각의 양자 특히, 자유양성자에 영향을 미칠 요인이 매우 적어지는 것으로서 중력을 갖는 존재를 이루기 매우 어려웠을 것이다. BigBang 이후 퍼져 나가는 양자들이 원자를 이루어 중력을 행사할 가능성이 매우 적어지는 것으로 주변에 다른 양자가 존재하지 않는 양자는 그 어떤 상호작용도 하지 못한 채로 그저 자신의 상태를 유지하게 되는 것이다. 그리고 이는 순환에 따라 시간과 공간이 동시에 완벽하게 결정된 상태로서 존재하지 않는 시공간의 특징에 위배된다. 동시다발적으로 발생되는 무수히 많은 작용들과 함께 끊임없이 변화되는 것이 시간(움직임/변화)과 공간(크기/형태)을 가진 존재의 근본인 것이다. 즉, 순환에 따라 영원한 존재는 없으며 모든 존재는 결과적으로 언제나 조금이라도 주변과 상호작용하면서 계속해서 변화되어 존재하는 것이다.
*중성자별이 존재할 수 있는 이유는 강력한 중력과 평행을 이루는 힘을 지속적으로 가지고 있기 때문이다. => 강력한 회전과 펄사를 가짐으로써 자체적인 형태(공간)와 움직임(시간)을 가진다. -> 파울리 베타 원리(양자 축퇴압)에 의해 높은 에너지를 가진 전자들이 끊임없이 중성자 주변에서 움직이게 된다. 여기서 전자들은 중성자별의 극도로 강력한 중력에 의해 벗어나기 어려우면서도 불안정한 중성자에서 발생되는 끊임없는 전자의 움직임에 의해 전자는 중성자별에서 극한의 움직임을 보여준다. 그리고 이는 펄사(pulsar)라는 고도로 자기화된, 관측 가능한 전파의 형태로 전자기파를 내뿜는다. 즉, 전자들의 발생시키는 확률적 시공간인 파동을 갖고 있는 것으로 중성자별은 붕괴되지 않고 존재할 수 있게 된다.
*전하를 띄지 않는 중성미자는 어떻게 존재하는 것인가? 광자는?
중성미자는 전하를 띄지는 않는 걸로 알려져 있지만 양자역학에 따라 중성미자의 맛깔이 시간의 흐름에 따라 변화한다. 아주 작은 기본 입자로서 다른 존재의 시간에 따라 지속적으로 상호작용하여 변화하는 움직임을 갖는 것이다. 자체적인 전하를 갖지 않는 파동이자 입자로서 음전하와 양전하로 만들어지는 파동과 입자의 형태와 움직임을 다른 존재에게 그대로 전달해 줄 수 있는 것이다. 이는 광자 또한 마찬가지이다.
*자연 상태에서 음의 배타붕괴(중성자 -> 양성자)가 양의 배타붕괴(양성자 -> 중성자) 보다 훨씬 쉽게 일어나는 이유는?
기본적으로 원자를 이룰 때 중성자가 더 많아지면 결과적으로 원자를 이루었다 해도 불안정해지기 때문이다.
*동위원소 중 안정된 상태와 불안정한 상태가 존재하는 이유
원자에서 결국 전자의 수를 결정하는 것은 양성자의 수이다. 더 많은 양성자가 원자핵을 이루면서 더 많은 전자를 얻는 것으로 증가한 원자핵의 질량(실체적 시공간)만큼 더 크고 강한 파동 에너지(확률적 시공간)를 갖는 것이다. 에너지와 질량이 중첩되어 하나의 시공간을 이루는 것이 원자로서 원자핵의 총질량이 원자 공간의 능력을 의미하고 전자의 개수가 원자 시간의 능력을 의미하기 때문이다.
여기서 질량을 가지고 원자핵을 구성하는 중성자는 어떤 전하를 띄고 있지 않기 때문에 전자를 통해 확률적 시공간을 형성하지 못한다. 즉, 원자핵에서 중성자의 증가는 실체적 시공간의 능력만을 증가시키는 것이다. 이는 양성자와 전자가 이룬 시간과 공간의 균형을 붕괴시키는 것으로서 양성자와 전자의 시공간 균형이 견딜 수 있는 실체적 시공간의 능력을 넘어서 중성자(실체적 시공간)가 더 많이 존재하게 된다면 그 원자는 불안정한 상태를 가지게 됨을 의미한다. 자체적인 실체적 시공간이 확률적 시공간보다 더 커져버린 것으로, 이런 상태에서 원자는 균형을 맞추기 위해 자체적으로 변화될 것이다.
실제로 삼중수소(양성자 1개, 중성자 2개)를 보면 안정적인 중수소와는 다르게 매우 불안정하여 반감기를 가지며 방사능을 내뿜는다. 이때 붕괴된 삼중수소는 스스로 안정된 상태를 가지는 헬륨으로 붕괴된다.
삼중수소(전자 1 양성자 1 중성자 2불 안정) -> 헬륨-3 (전자 2 양성자 2 중성자 1 안정)
: 중성자 하나가 중성미자와 함께 전자를 방출하여 전자 2개를 갖고 중성자는 양성자가 되어 하나의 중성자와 두 개의 양성자가 원자핵을 이루게 된다.
이는 안정된 원자에서 중성자의 수는 양성자와 전자의 비율과 수에 따라 결정되는 것이며 원자는 상황에 따라 끊임없이 시공간의 균형을 이루려는 형태와 움직임을 갖는 것이다. 만약 전자에 비해 너무 많은 양성자가 존재하지만(확률적 시공간에 비해 실체적 시공간이 크지만) 양전자를 방출하기에는 에너지가 충분하지 못할 경우(양의 베타붕괴 : 양성자-> 중성자 : 매우 큰 에너지가 있어야 함) 양성자는 주변에 존재하는 전자를 포획하여(전자 포획) 중성자로 붕괴된다. 이때 이 원자는 내부 껍질에 존재하는 전자를 흡수한 만큼 껍질에 전자가 없는 들뜬상태에 놓이게 되고 높은 에너지를 가진 양자 상태가 된다. 이는 실체적 시공간을 의미하는 원자의 질량이 늘어난 만큼 확률적 시공간을 의미하는 양자(전자/원자핵)의 상호작용이 높은 에너지 준위를 갖는 것을 의미한다. 동시에 전자와 양성자의 밸런스까지 맞춰지는 것으로 실체적/확률적 시공간은 균형을 갖게 된다.
그리고 이렇게 시공간 균형에 따라 원자가 붕괴되거나 다른 외부 요인에 의해 전자가 더 많거나 부족한 상황이 발생되면 이온화된 상태를 통해 계속해서 전자를 더욱 끌어오거나 방출하려는 성질을 갖게 된다. 이때 전자는 광자를 흡수하여 들뜬상태가 되고, 이온화 에너지(전자를 전자 궤도/정상파 궤도에서 벗어나게 하는 힘)를 넘으면 궤도를 벗어나 다른 원자 궤도로 이동된다. 또는 다른 원자와 이온/공유 결합되어 같이 시공간의 균형을 이룬다. 이렇게 시간이 지나 확률적/실체적 균형이 맞춰지면 다른 원자 궤도에 들어간 전자는 들뜬 만큼의 에너지를 방출하여 안정화된다. 이렇게 자체적으로 원자는 주어진 상황에서 시공간의 균형을 조절하기 위해 끊임없이 변화한다.
동위원소 표: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%8F%99%EC%9C%84_%EC%9B%90%EC%86%8C_%ED%91%9C
동위원소 표를 보면 어떤 수의 중성자와 양성자의 조합이 안정적인 원자를 이룰 수 있는지 나온다. 기본적으로 양성자의 수가 늘어나면 척력이 강하게 발생되므로 더 많은 중성자를 필요로 한다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 양성자와 중성자는 1:1로 매치되지 않고 양성자가 늘어날수록 늘어난 양성자의 수보다 더 많은 중성자가 필요하다는 것을 알 수 있다. 여기서 안정적인 동위원소들이 모여 있는 부분에 불안정한 상태도 존재하는 데 이런 모습을 보여주는 동위원소는 중성자와 양성자의 개수 차이가 증가할수록 점점 증가한다. 또한, 이는 양성자나 중성자의 개수가 홀수 개 일 때 보다 빈번하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 양성자와 중성자가 각자의 힘을 유지한 채 하나의 시스템을 이루고 있다는 점은 두 개의 파동이 각각 상쇄 보강 간섭을 이룬 채 하나의 파동을 이루고 있는 것인데 이 둘의 파동을 만들어내는 양성자와 중성자의 순환에게 있어서 개수 차이의 증가와 홀수 개의 양/중성자는 온전한 파동을 형성하는 과정에서 오류가 발생될 확률이 증가되는 것이다. 이는 두 파동의 온전한 파동 결합을 생각해 볼 때 각각의 파동을 형성하는 입자의 개수 차가 증가할수록, 홀수여서 하나의 힘이 남을 때 더욱 하나의 파동을 형성하기 어려운 것에 부합된다. 이러한 이유 때문에 일정한 범위 내에서 원자핵 입자와 함께 안정된 상태를 이룰 수 있는 원자핵의 에너지 범위에 틈이 생기게 되며 불안정한 원자를 이루게 되는 것이다.
