물질이란 무엇인가?

물질이란 무엇인가?

물질은 공간을 차지하는 모든 것을 일컫는 말이다. 집을 짓는 데 쓰이는 벽돌과 목재, 비행기를 만드는 데 쓰이는 금속과, 인체를 구성하는 살과 뼈 등이 물질에 속한다. 물, 공기, 땅, 의약품, 비료, 초소형 소자, 플라스틱, 폭발물과 식료품 등도 모두 물질에 속한다. 그러나 빛 또는 아름다움 등과 같은 추상적 개념은 공간을 차지하지 않기 때문에 물질이 아니다.

물질을 구성하고 있는 작은 단위로 나누어보면 대개 다음과 같다.

분자(m) - 원자(m) - 원자핵(m) - 양성자/중성자(m) - 소립자: 소립자에는 다시 매개입자와 렙톤, 쿼크 등이 있는데 이렇게 해서 "모든 물질은 쿼크와 렙톤으로 이루어졌다" 고까지 말할 수 있게 되었다.

(1) 분자

보통 물질은 원자나 그것이 하전한 이온이라고 하는 미립자로 구성되어 있는데 그 원자나 이온이 화학결합에 의하여 몇 개가 모여 그 물질의 특성을 가진 최소단위로서 미립자를 만드는 일이 있다. 이 경우에 그 미립자를 분자라고 한다. 물질을 그 상태로 분류하였을 때, 기체인 경우에는 그 대부분이 분자로 이루어지는데, 액체나 고체인 경우에는 이온성 화합물이나 거대분자로 이루어지는 물질을 제외한 것만이 분자로 이루어진다고 하며, 이것을 분자성 물질이라고도 한다. 분자의 크기는 보통 m 쯤이다.

(2) 원자

분자보다 더 작은 것으로는 원자가 있는데 예를 들면 물분자는 두 개의 수소와 한 개의 산소 원자가 결합된 것이다. 이 원자는 화학 원소로서의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소입자로서 더 이상 나눌 수 없다는 뜻으로 atom이라는 이름을 갖게 되었다. 이 말은 그리스어의 비분할(非分割)을 의미하는 atomos에서 유래한 것이다. 그러나 오늘날에는, 원자라는 말이 가진 본래의 뜻은 없어지고, 원자는 더 복잡한 구조를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 원자의 크기는 보통 10-10 m 쯤이다.

(3) 원자핵

1897년 톰슨(Joseph J. Thomson)이 전자를 발견했다. 이 발견으로 화학원소의 입자인 원자는 물질의 궁극적인 입자라는 생각에 변화가 온 것이다. 톰슨은 1906년에 노벨 물리학상을 받았다. 원자에서 전자를 뺀 남은 부분이 아주 작고 단단한 원자핵이라는 것을 발견한 것은 1911년 러더포드(Emest Rutherford)였다. 그는 1908년에 노벨 화학상을 받은 사람이다.

그는 원자핵의 구조를 조사하기 위해 원자핵에 강한 충격을 주어야 하는데 러더포드는 방사능을 이용한 것이다. 방사능에는 알파, 베타, 감마 입자라는 것이 있는데 그는 알파 입자(헬륨 원자핵)의 투과력을 이용하였다. 그는 1919년 질소 기체에 알파 입자를 충돌시켰더니 질소가 산소로 변화되면서 어떤 입자가 튀어 나왔는데 그는 이 입자를 양성자(proton)이라고 이름을 붙였다. 그 뒤로 채드윅(James Chadwick)이 1934년에 감마선을 이중수소에 쪼여서 양성자와 전자의 질량의 합보다 조금 큰 중성자를 발견했다. 그는 이 업적으로 이듬해에 노벨 물리학상을 받았다. 결국 원자핵은 원자의 중심부에 있는 작은 입자(粒子)로서 몇 개의 양성자(陽性子)와 중성자(中性子)가 결합한 것으로, 양(陽)의 전하(電荷)를 띠고 있으며, 양성자와 같은 수의 전자가 이 주위를 둘러싸고 있어 전기적으로 중성의 원자를 형성하고 있다는 것을 알게 되었다. 크기는 반지름 m 정도이며, 원자 전체의 10만 분의 1에 불과하지만, 원자 질량의 대부분이 집중하고 있어, 이 좁은 범위에 원자의 실질적인 부분이 있다고 간주된다. 원자핵은 양성자와 중성자가 강력하게 결합하고 있어 더 이상 나눌 수 없다고 얼마동안 생각되었다.

원자핵은 구성요소인 양성자의 수와 중성자의 수로 기본적 속성이 결정된다. 이 때문에 양성자의 수를 그 원자핵의 양성자수(기호 Z, 화학원소의 원자 번호), 양성자수와 중성자수의 합을 질량수(기호 A)라하며, 각각의 원자핵은 양성자수와 질량수와의 조합에 의해 구별된다. 이와 같이 종류가 구별된 원자핵을 일반적으로 핵종(核種)이라 한다. 양성자수가 동일하며 질량수가 서로 다른 원자핵은 핵종으로서는 다른 것이나, 화학적 성질은 같으며 동일한 화학원소에 속한다. 이러한 원자핵들을 동위원소(同位元素)라 하는데, 카드뮴(Z＝48)은 8개, 주석(Z＝50)은 10개와 같이 많은 동위원소를 가지고 있는 원소도 있다.

대부분의 원자핵은 매우 안정하지만 그 중에는 내재적(內在的)으로 불안정하고 외부에서 어떤 작용을 미치지 않아도 자발적으로 방사선을 내며 붕괴하는 것이 있다. 이것이 방사성원소이며, 천연원소 중에는 비교적 원자번호가 큰 라듐 ·우라늄 ·토륨 등이 있다. 원자핵의 크기는 보통 10-18m 이다.

(4) 소립자

물질의 가장 기본적인 구성 요소로 물질을 세분해 가면 분자 → 원자 → 원자핵 → …이라는 계열을 지나 소립자에 이른다. 이런 의미에서 소립자는 현재까지 알려진 가장 기본적인 입자라고 생각된다. 가장 먼저 발견된 것은 전자(電子)이며, 1897년 J. J.톰슨에 의하여 발견되었다. 1908년 E.러더퍼드에 의하여 원자핵이 발견되고, 이어 수소의 원자핵인 양성자(陽性子)의 존재가 알려졌다. 1932년 중성자(中性子)와 양전자(陽電子), 1937년 중간자(中間子)가 발견되고, 1950년쯤부터 급속히 많은 소립자가 발견되기 시작하였다. 현재는 약 300종류의 소립자가 알려져 있다

(5) 쿼크와 렙톤

1950년대에 겔만 (Gell-Mann, Murray)은 많은 입자들을 어떤 대칭성에 의해 분류했는데 그에 따르면 많은 소립자들은 쿼크와

렙톤으로 구성되었다고 주장하게 되었다. 또한 1964년 소립자는 쿼크라는 전하(電荷)가 전자의 1/3

또는 2/3인 입자(粒子)로 구성된다는 이론을 발표하였다. 그 외에도 장(場)의 양자론, 약한 상호작용의 해명(파인만겔만의 이론 1958) 등 여러 업적으로 1969년 노벨 물리학상을 수상하였다.

(가) 쿼크 (quark)

현재 6종(種) 3류(類)가 있다고 가정되어 있다. 6종의 쿼크는 업(up)·다운(down)·스트레인지(strange)·참(charm)·보텀(bottom)·톱(top)으로, 쿼크의 종은 향(香:flavor)으로, 유는 색(色:color)으로 각각 부르고 있다. 즉, 한 향은 3색을 가지고 있다. 양성자나 중성자는 3개의 쿼크로 이루어진다. 쿼크의 종류 중에서 가장 일반적인 것으로는 업 쿼크(up; 업쿼크의 전하는 +2/3이다)와 다운 쿼크(down; 다운쿼크의 전하는 -1/3이다)다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개(전하 +1)의 결합으로 구성되며, 중성자는 다운 쿼크 2개와 업 쿼크 1개(전하 0)의 결합으로 구성된다고 보고 있다.

(나) 렙톤(또는 경입자, 輕粒子 ;lepton)

렙톤은 핵자(核子; 양성자와 중성자)보다 질량이 작아 경입자라고 하지만 τ입자는 그 질량이 핵자의 2배정도 되므로, 경입자의 특징은 가볍다는 것이 아니라 강한 상호작용을 하지 않는다는 점에 있게 되어, 경입자라는 명칭보다는 약입자(弱粒子)라고 하는 편이 적절하다는 의견도 있다. 강한 상호작용을 하지 않는 소립자를 말하며, 그 특징은 전자기적 상호작용과 약한 상호작용만을 지니고 있다는 것이다

렙톤에는 전자(electron), 전자중성미자(電子中性微子; electron neutrino), 뮤(μ)-중간자(muon), 뮤(μ)-중성미자(muon neutrino) 및 타우(τ) 렙톤(tau), 타우(τ)-중성미자(tau neutrino) 이 여섯 종류가 있다.

(6) 소립자간에 작용하는 힘

일반적으로 자연계에는 다음과 같은 4 가지 힘이 있다. 중력(重力; gravity), 전자기력(電磁氣力; electromagnetic force), 약력(弱力; weak interaction), 강력(强力; strong force) 등이다. 약력과 강력은 핵력(nuclear force)라고 하며 원자핵 내부에서만 작용하는 힘이다. 따라서 강력은 강한 핵력, 약력은 약한 핵력이라고 부르기도 한다.

쿼크들은 양성자와 중성자를 만드는데 이 쿼크들이 서로 강하게 붙잡는 힘을 강한 핵력이라고 한다. 이 힘은 자연계에서 가장 강한 힘인데 전자기력의 100배 정도이다. 그러나 중요한 특징은 이들은 10-15m(1 페르미) 이내에서만 작용한다는 것이다.

전자기력은 전기(電氣)나 자기(磁氣)에 바탕을 둔 힘을 총칭해서 하는 말이다. 자연에서 두 번 째로 강한 힘이며 원칙적으로 무한대의 거리까지 미치는 특성이 있다.

약한 핵력은 전자기력의 1011분의 1밖에 되지 않으며 미치는 범위도 0,001 페르미밖에 안 되는 짧은 거리이다.

자연에서 가장 약한 힘은 중력이다. 이 중력은 지표 부근에 있는 물체를 지구의 중심 방향으로 끌어당기는 힘으로 질량의 크기에만 비례하며 무한대의 거리까지 미친다. 그러나 그 크기는 전자기력의 1038분의 1에 불과하다.

(7) 매개입자(gauge particle)

4 가지 힘을 중개하는 입자들이 있는데 이것을 매개 입자라고 하며 이에는 광자(photon), 글루온(gluon), 중력자(graviton) 등이 있다.

광자(光子)는 전하를 띠는 입자와 전하를 통해서 상호작용을 하고, 이들 대전입자 사이의 전자기력을 매개한다. 빛은 파동이라고 생각해 왔는데 1905년 아인슈타인이 광전효과를 설명하기 위해서 빛도 광자라고 하는 불연속적인 입자로 전파된다는 개념을 도입해서 나온 말이다. 실험으로 광입자를 본 사람은 없다.

글루온은 색전하를 가진 입자, 즉 쿼크·반쿼크 및 다른 글루온과 색전하를 통해서 상호작용을 한다. '글루’는 아교를 뜻한다. 소립자 중 강한 상호작용을 하는 강입자족(양자 ·중성자 ·π중간자 등)은 쿼크나 반쿼크가 결합된 복합입자로, 이들 사이의 힘은 글루온의 교환에 의해 발생한다.

중력자는 중력장(重力場)의 양자로서 도입된 입자이며 중력양자라고도 한다. 질량을 가진 모든 물체 사이에서는 중력자를 교환함으로써 중력이 작용한다. 그러나 소립자 세계에서 이 힘은 무시되어도 좋을 만큼 작으며 또 이러한 입자가 실제로 관측된 적도 없다. 중력자는 중력적 상호작용을 양자역학에 적용시키기 위해 가정된 입자로 광속도로 움직이고 정지질량(靜止質量)과 전하(電荷)는 없으며 스핀(spin)은 2가 된다고 예측하고 있다.

아인슈타인과 상대성 이론

아인슈타인((Einstein, Albert, 1879.3.14~1955.4.18, 독일):

미국의 이론물리학자. 노벨 물리학상(1921) 수상자, 독일 울름 출생. 스위스 국립공과대학 물리학과를 졸업하고, 베른 특허국의 관리 자리를 얻어 5년간 근무하였다. 광양자설, 브라운운동의 이론, 특수상대성이론을 연구, 이를 1905년 발표하였다. 특수상대성이론은 당시까지 지배적이었던 갈릴레이나 뉴턴의 역학을 송두리째 흔들어 놓았고, 종래의 시간 ·공간 개념을 근본적으로 변혁시켰으며, 철학사상에도 영향을 주었으며, 몇 가지 뜻밖의 이론, 특히 질량과 에너지의 등가성(等價性)의 발견은 원자폭탄의 가능성을 예언한 것이었다.

광전효과 연구와 이론물리학에 기여한 업적으로 1921년 노벨 물리학상을 받았으며, 그 후 중력장이론으로서의 일반상대성 이론을 중력장과 전자장의 이론으로서의 통일장 이론으로 확대할 것을 시도하였다. 유대인 출신인 그는 유대민족주의 ·시오니즘운동의 지지자, 평화주의자로서 활약하였다. 독일에서 히틀러가 정권을 잡고 유대인 추방이 시작되자, 1933년 독일을 떠나 미국의 프린스턴 고등연구소 교수로 취임, 통일장이론 개척에 힘을 기울였다. 제2차 세계대전 중 독일이 원자폭탄 연구에 몰두하자, 미국의 과학자와 망명한 과학자들은 원자폭탄을 가질 필요성을 통감하여 당시 대통령 F. D.루스벨트에게 그 사정을 알리는 편지를 보냈다. 이것이 미국에서의 원자폭탄 연구, 맨해튼계획의 시초가 되었다.

한편, 그는 통일장이론을 더욱 발전시키기에 힘썼다. 일반상대성 이론은 리만 기하학을 이용한 것으로서, 그것은 2차 대칭하는 텐서에 기초를 두고 있다. 그러나 그가 만년에 생각해낸 통일장이론은 2차 대칭이 아닌 텐서에 의거한 이론이다. 이것을 아인슈타인 최후의 통일장이론이라고도 한다. 미국에서는 그의 이름을 기념하여 아인슈타인 상(賞)을 마련하고 해마다 2명의 과학자에게 시상하고 있다.

(1) 특수 상대성 이론

1905년 A.아인슈타인에 의하여 제창된 이론: 당시 혼미한 상태에 있던 뉴턴 역학과 맥스웰의 전자기이론 사이의 모순을 근본적으로 해결하기 위해 제창되었다. 이론의 구성으로서는 ‘빛의 속력은 모든 관성기준계에서 광원의 운동과 무관하다. 물리학의 모든 법칙은 모든 관성기준계에서 동일하다’는 상대성원리를 기본가정으로 하고, 4차원 쌍곡선 공간의 기하학을 수학적 조작으로 전개하였다. 여기서 관성기준계란 뉴턴의 운동방식 ma=F(m은 질량, a는 가속도, F는 힘)가 성립되는 좌표계를 말한다.

그 특징은 뉴턴역학 이래 물리학의 대전제였던 시간 ·공간의 절대성을 부정한 데 있었고, 시공의 상대성을 적극적으로 밝힘으로써 서로 등속도로 운동하는 좌표계에 대하여, 모든 물리법칙이 불변인 형식을 가지도록 정식화(定式化)하는 데 성공하였다. 광속도의 극한적인 성격, 동시각(同時刻)의 상대성, 운동체의 운동방향에 대한 길이의 단축, 시간의 지연, 질량과 에너지의 등가성(等價性) 등이 논리적 귀결로서 유도되었는데, 이들의 상대론적 효과는 그 후 소립자 세계의 여러 현상이 밝혀짐에 따라 이 이론의 정당성(正當性)이 실증되었다. 아인슈타인은 이 특수상대성이론을 발전시켜 1916년 일반상대성이론을 발표하였다. 로렌츠-피츠제럴드수축가설은 에테르의 존재를 긍정하고 모순을 해결하려고 하였으나, 이 설을 확증하는 방법은 수축효과를 검출하려는 자[尺] 자체도 수축하기 때문에 원리적으로 존재하지 않게 된다. 이것에 대하여 아인슈타인은 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 근본적으로 고치면, 맥스웰방정식은 좌표계를 바꾸어도 불변인 형식을 가지고, 광속도 일정이라는 사실도 설명할 수 있다는 것을 보였다. 그러나 그렇게 하기 위해서는 시간 ·공간의 개념을 근본적으로 고치지 않으면 안 되었다.

갈릴레이-뉴턴의 이론에서는, 시간 ·공간은 어떠한 좌표계에서도 공통적인 것이라고 가정되었으나, 아인슈타인은 이것을 일종의 독단으로 보고 이를 거부하고 서로 운동하는 좌표계에서는 각자 개별적인 시간을 생각하여야 한다고 하였다. 예컨대 지금까지 절대량(絶對量)으로 생각되었던 시간 ·공간은 좌표계를 어떻게 취하느냐에 따라 변할 수 있다는 상대량을 제시하였다. 아인슈타인은 이 생각을 기초로 하여, 서로 균일한 속도 v로 운동하는 두 개의 기준계 사이에서 성립하는 공간좌표(x,y,z), 시간좌표(t)의 변환식으로서 다음의 관계를 구하였다.

, y' = y, z' = z

여기서 c는 광속도, 좌표계의 상대운동의 방향은 x축에 평행한 것으로 한다. 이 식이 로렌츠변환이다. 이 변환을 실시하면 맥스웰방정식은 일정한 상대속도로 운동하는 좌표 사이에는 그 형식이 변하지 않는다는 것이 증명된다. 또 이 변환식은 속도 v가 광속도 c에 비교하여 아주 작을 때는, 극한적 근사로서 다음의 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리의 기초가 되는 좌표변환식(갈릴레이변환)으로 옮겨가고, 아인슈타인의 이론은 뉴턴역학도 포함하는 이론이라는 것을 가리킨다.

x'=x－vt, y'=y, z'=z, t'=t.

(2) 일반 상대성 이론

1916년 A.아인슈타인이 특수상대성이론(1905년 발표)을 확장하여 가속도를 가진 임의의 좌표계에서도 상대성이 성립하도록 체계화한 이론. 특수상대성이론의 두 개의 기본원리인 상대성원리와 광속도불변의 원리에, 관성질량(慣性質量)과 중력질량(重力質量)이 같다는 원리, 즉 등가원리(等價原理)를 합치고, 구부러진 공간(리만공간)의 기하학적 구조에 대한 중력이론을 더하여 전개하였다.

중력은 질량을 가지고 있는 모든 물체에 보편적으로 작용하는 동시에, 질량에 무관계한 일정한 가속도를 물체에 준다는 특수한 성질을 가지고 있다. 이 때문에 줄이 끊어진 엘리베이터에서처럼 그 자신이 중력의 가속도와 동일한 가속도를 가진 물체 내에서는 중력이 완전히 상실된 경우와 같은 현상이 관찰된다. 거꾸로 무중량상태(無重量狀態)인 우주공간 안에서도 적당한 방법으로 가속도가 주어진 물체 내에서는 가속도에 의한 관성력이 중력과 동등한 효과를 가진다고 생각된다. 이와 같이 실제로 존재하는 힘으로 생각되는 중력도 좌표계를 정하는 방법에 따라 나타나는 겉보기 힘과 구별할 수 없게 된다. 즉 중력장과 가속도를 가지는 좌표계는 물리적으로 등가이며, 중력의 원천이 되는 중력질량과 관성의 정도를 나타내는 관성질량이 등가라는 것을 반영한다. 일반상대성 이론은 이와 같은 중력질량과 관성질량이 동등하다는 등가원리에 기초를 두고, 일정한 가속도를 가진 어떤 좌표계에 대해서도 물리법칙이 같은 형식으로 표현되도록 정식화한 이론이다.

일반상대성 이론의 가장 중요한 성과로서 물질의 존재는 그 주위의 공간이나 시간에 변형을 주어 그 변형이 만유인력의 장(場)을 형성한다는 결론이 있다. 이 결론은 중력의 본질을 해명하는 이론으로서 현재 단계에서 가장 성공한 것이고, 수성(水星)의 근일점(近日點) 이동, 별빛이 태양 부근을 지날 때 그 경로가 구부러진다는 것(아인슈타인 효과), 중력장에 의한 항성의 빛의 스펙트럼 적색이동(赤色移動) 등, 천문학적 관측에 의하여 이론적인 타당성이 검증되었다. 중력뿐만 아니라 전자기력도 시간 ·공간의 성질(속성)에 귀착시키려고 시도하는 것이 통일장이론(統一場理論)이다. 연구는 계속되고 있으나 이 점에서는 아직도 충분한 성과는 얻지 못하고 있다. 특수상대성이론에서 밝힌 자연법칙의 절대성(絶對性)과 시간·공간의 상대성이라는 개념을 강화함과 동시에, 시간과 공간 자체가 물질의 존재와 밀접한 관련을 맺고 있음을 밝혔다는 데 중요한 의의가 있고, 물체는 그 둘레의 공간을 변형시켜 만유인력의 장(場)을 형성한다는 결론을 내렸다.

그때까지 뉴턴역학으로 설명이 되지 않았던 수성(水星)의 근일점이동(近日點移動) 현상이 설명되었을 뿐 아니라, 별빛이 태양 부근에서 굴절한다는 것과 별빛의 스펙트럼의 적색이동(赤色移動)이 실측됨으로써 이론의 정당성이 확증되었다. 중력이론으로서는 현재까지 가장 성공적인 이론이며, 천체관측기술의 진보와 더불어 우주론의 형성에도 큰 기여를 하였다.

종합 정리

1. 분자란 어떤 구조를 가지고 있는가?

2. 6개의 쿼크와 6개의 렙톤 이름을 들라.

3. 자연에 존재하는 4개의 힘에는 어떤 것이 있는가?

4. 아인슈타인은 상대성 이론(특수, 일반)을 언제 발표하였는가?

5. 아인슈타인의 상대성 이론은 뉴턴역학과 크게 다른 것이 무엇인가?

* 이 자료는 장수 박사(한남대학교 광·전자 물리학과 교수)의 특강을 골자로해서 두산 백화사전의 내용을 참고하여 편집한 것임.