반물질 - 개념, 특성, 발견 및 용도
반물질이 무엇인지, 어떻게 발견되었는지, 그 특성, 물질과의 차이점, 발견 장소에 대해 설명합니다.
반물질이란 무엇입니까?
입자 물리학에서는 일반 입자가 아닌 반입자 로 구성된 물질의 유형을 반물질이라고 합니다. 이는 덜 일반적인 유형의 물질 입니다 .
반물질은 일반 물질과 매우 유사하며 유일한 차이점은 입자의 전하 와 일부 양자수입니다. 따라서 양전자 라고도 불리는 반전자는 전자의 반입자로, 양전하를 제외하고는 동일한 특성을 갖습니다. 반중성자는 중성자(중성자와 마찬가지로)이지만 자기 모멘트는 반대입니다. 마지막으로 반양성자는 음전하를 띤다는 점에서 양성자와 다릅니다.
반물질과 물질은 상호 작용할 때 몇 분 후에 서로 소멸되어 고에너지 광자(감마선) 및 기타 소립자의 입자-반입자 쌍의 형태로 엄청난 양의 에너지를 방출합니다.
물리학 연구 에서 입자와 반입자는 양성자 (p), 전자 (e) 및 중성자 (n) 에 해당하는 기호 위에 수평 막대(마크론)를 사용하여 구별됩니다 .
반입자로 구성된 원자는 일반 물질과 함께 소멸되기 때문에 자연적 으로 존재하지 않습니다. 반원자 형성을 목표로 한 실험에서는 아주 적은 양만이 성공적으로 생성되었습니다.
참조: 원자 모델
반물질의 발견
폴 디랙(Paul Dirac)은 1928년에 이론적으로 반물질의 존재를 가정했습니다.
반물질의 존재는 1928년 영국의 물리학자 폴 디랙 (1902-1984)이 알베르트 아인슈타인의 상대성 원리와 닐스 보어의 양자물리학 원리를 결합한 수학 방정식을 제안하면서 이론화되었습니다 .
이 힘든 이론적 작업은 성공적으로 해결되었으며 거기서 전자와 유사하지만 양전하를 갖는 입자가 있어야 한다는 결론을 얻었습니다 . 이 최초의 반입자는 항전자라고 불리며, 일반적인 전자와의 만남으로 인해 상호 소멸되고 광자(감마선)가 생성되는 것으로 오늘날 알려져 있습니다.
그러므로 반양성자와 반중성자의 존재를 생각해 볼 수 있었다. 디랙의 이론은 1932년 우주선과 일반 물질의 상호작용에서 양전자가 발견되면서 확증되었습니다.
그 이후로 전자와 반전자의 상호 소멸이 관찰되었습니다. 이들의 만남은 반감기가 10-10 또는 10-7초를 초과하지 않는 포지 트로 늄 으로 알려진 시스템을 구성합니다 .
나중에 버클리 입자 가속기(캘리포니아, 1955)에서는 아인슈타인의 공식 E = mc 2 (에너지는 질량 곱하기 빛의 속도 와 같음 ) 에 따라 고에너지 원자 충돌을 통해 반양성자와 반중성자를 생성하는 것이 가능했습니다 .
마찬가지로, 1995년에 유럽 핵 연구 기구(CERN) 덕분에 최초의 반원자가 획득되었습니다 . 이 유럽 물리학자들은 반양성자 궤도를 도는 양전자로 구성된 수소 반물질 또는 반수소 원자를 만드는 데 성공했습니다.
반물질의 성질
물질과 반물질 원자는 동일하지만 반대 전하를 띤다.
반물질에 대한 최근 연구에 따르면 반물질은 일반 물질만큼 안정적인 물질입니다. 그러나 전자기적 특성은 물질의 전자기적 특성과 반대입니다 .
실험실에서 생산하는 데 드는 막대한 금전적 비용(생성된 밀리그램당 약 625억 달러)과 매우 짧은 기간을 고려하면 심층적으로 연구하는 것은 쉽지 않았습니다.
실험실에서 가장 성공적인 반물질 생성 사례는 약 16분 정도였습니다 . 그럼에도 불구하고 이러한 최근 경험을 통해 우리는 물질과 반물질이 완전히 동일한 특성을 갖지 않을 수 있다는 것을 직관할 수 있었습니다.
반물질은 어디에서 발견되나요?
이것은 많은 설명이 가능한 반물질의 신비 중 하나입니다. 우주 의 기원에 관한 대부분의 이론은 태초에 물질과 반물질의 비슷한 비율이 존재했다는 것을 인정합니다 .
그러나 오늘날 관측 가능한 우주는 보통 물질로만 구성된 것으로 보입니다 . 이러한 변화에 대한 가능한 설명은 물질과 반물질이 암흑 물질 과 상호 작용 하거나 빅뱅 동안 생성된 물질과 반물질의 양 사이의 초기 비대칭성에 관한 것입니다 .
우리가 알고 있는 것은 반입자의 자연적인 생성이 우리 행성의 반 알렌 고리에서 일어난다는 것입니다 . 이 고리는 표면에서 약 2,000km 떨어져 있으며 감마선이 대기 외부에 닿을 때 이런 방식으로 반응합니다 .
이 반물질은 해당 지역에 전멸될 만큼의 일반 물질이 충분하지 않기 때문에 서로 뭉치는 경향이 있으며, 일부 과학자들은 이 자원이 반물질을 "추출"하는 데 사용될 수 있다고 생각합니다.
반물질은 어떤 용도로 사용되나요?
현재 단층촬영에는 이미 양전자(반전자)가 사용되고 있습니다.
반물질은 매우 높은 비용 과 생산 및 취급에 관련된 까다로운 기술 로 인해 인간 산업에서 아직까지 실용적인 용도가 많지 않습니다 . 그러나 특정 애플리케이션은 이미 현실이 되었습니다.
예를 들어, 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캔이 수행되는데, 이는 암 치료에 반양성자를 사용하는 것이 가능하며 아마도 현재의 양성자 기술(방사선 요법)보다 더 효과적일 수 있음을 시사합니다.
그러나 반물질의 주요 응용 분야는 에너지 원 입니다 . 아인슈타인의 방정식에 따르면, 물질과 반물질의 소멸은 너무 많은 에너지를 방출하므로 1kg의 물질/반물질을 소멸시키는 것은 어떤 화학 반응 보다 100억 배 더 생산적이고 , 핵분열보다 1만 배 더 생산적일 것입니다.
이러한 반응을 제어하고 활용할 수 있다면 모든 산업은 물론 운송까지 변화될 것입니다. 예를 들어, 10mg의 반물질은 우주선을 화성 으로 보낼 수 있습니다 .
계속: 물질의 기원
