원자핵은 어떻게 연구되고 있는건가요?

Question

현재 원자핵 연구에서 어떤 도전 과제가 있나요? 그리고 가속기, 중성자, 핵융합 등 연구 분야별로 최신 기술과 함께 새로운 발견과 응용 가능성에 대해 알려주세요.

Answer 1

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

원자핵의 모양은 다양하여 구형일 수도 있고 럭비공과 같은 타원체일 수도 있다. 그러나 여분의 중성자 세 개가 추가된 베릴륨(beryllium)의 핵은 거의 아령과 같은 형태를 지닌다. 'Physical Review Letters' 2월 15일호의 한 논문은 그 모양이 마치 두 개의 헬륨 원자를 중성자로 접착시켜 놓은 것과 같다고 설명했다. 많은 분자들에서 원자들은 하나 또는 그 이상의 전자를 공유하며 분자의 구조 내에 존재하게 되는데 이를 공유결합이라 한다.

영국 버밍햄대학교의 물리학자 마틴 프리어(Martin Freer)는 이와 유사한 일이 분자보다 훨씬 작은 원자핵 내에서도 일어날 수 있다고 말한다. 그는 하나의 핵은 때때로 몇몇 중성자를 공유하는 두 개의 다른 핵들로 구성되어 있는 듯이 나타난다고 말한다. 과학자들은 이러한 현상을 안정한 핵에서 관찰한 바 있으며, 또한 그와 같은 현상이 세 개의 중성자가 부가된 베릴륨과 같이 불안정한 핵에서도 발생할 수 있다는 예비적인 증거들을 확보하고 있었다.

이 개념을 실증하기 위하여 프리어와 유럽의 여러 연구소에서 모인 34명의 동료들은 프랑스 Caen에 소재한 GANIL 싸이클로트론을 사용하여 베릴륨을 산소 원자로 폭격, 베릴륨-12로 변환시켰다. 이 무거운 원자핵은 방사능을 지니고 불안정하여 신속하게 붕괴하지만 붕괴 산물들의 에너지 및 각(angle)을 추적한 결과 연구팀은 원자핵의 각운동량을 추론할 수 있었으며, 또 각운동량으로부터 그 원자핵의 모양을 알아낼 수 있었다.

베릴륨-12는 서로 붙어 있는 두 개의 헬륨 핵으로 이루어져 있으며 이 때 두 핵을 결합시켜 주는 것은 두 핵 사이와 그들 주위에 분포한 4개의 중성자들이라고 연구팀은 결론지었다. 이와 유사한 핵에 관해 연구한 바 있는 베를린 자유대학교의 물리학자 볼프람 폰 오어ㅉ(Wolfram von Oertzen)은 프리어 연구팀의 문제 접근 방식을 극찬하면서 이번 연구는 중성자 과잉 물질의 연구 방법에 관한 빼어난 모범이라고 말했다. -(

Answer 2

안녕하세요. 형성민 과학전문가입니다.

원자핵 연구는 핵물리학, 핵화학, 핵공학 등의 분야에서 이루어지고 있습니다. 이들 분야는 각각 원자핵의 구조, 반응, 에너지 생산 등을 연구하고 있으며, 이를 기반으로 핵연료 생산, 원자력 발전 등에 관련된 기술 개발이 이루어지고 있습니다.