제작시간: 20분
제작비용: 70달러
난이도: ●○○○○
아원자 입자를 감지하는 기기들은 실로 엄청난 덩치를 자랑한다. 예컨대 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 거대 강임자가속기(LHC)에 부착된 검출기는 중량이 수천 톤에 달하며, 센서가 수백만 개나 된다. 이 모든 것은 광속에 가까운 속도로 날아가는 입자 들을 검출하기 위함이다.
하지만 모든 입자검출기가 이렇게 복잡한 것은 아니다. 거실에 들여놓을 수 있을 만큼 작고 간단한 구조의 검출기도 있다. '안개상자(cloud chamber)'가 바로 그렇다.
입자에 극히 민감하게 반응하는 증기를 채워놓은 투명상자가 이것이다. 제작법은 비교적 간단하다. 투명 수조의 천장 쪽에 알코올로 적신 펠트천을, 바닥쪽에는 드라이아이스를 위치시킨 뒤 실온에 놓아두면 된다. 그러면 기화된 알코올 기체가 드라이아이스 쪽으로 내려가면서 냉각된다. 이렇게 냉각된 알코올 기체는 미세한 변화에도 응결이 일어나는 훌륭한 입자감지기 역할을 한다. 지금 이 순간에도 우주선(cosmic ray)이 지구에 끊임없이 쏟아지고 있는데, 대기권과 부딪치는 순간 대량의 입자가 살포된다.
만일 이 입자 중 하나라도 안개상자를 통과하면 상자 속 공기분자와 충돌해 전자의 일부를 빼앗으면서 대전된 입자들의 자취가 남게 된다. 알코올 기체가 바로 이 자취에 달라붙어 응결되면서 입자의 경로가 육안으로 파악되는 것이다.
준비물
o 투명 플라스틱 또는 유리 수조
o 펠트천
o 순간접착제
o 농도 90% 이상의 이소프로필 알코올
o 드라이아이스
o 얕고 넓은 용기
o 수조의 입구보다 큰 짙은 색의 철제 구이판
o 플래시라이트
Warning: 이소프로필 알코올을 취급할 때는 보안경과 안전장갑을 착용해야 한다. 드라잉아이스 취급 시에도 보안경과 오븐용 벙어리장갑 착용이 필수다.
[INSTRUCTIONS]
1. 수조의 바닥면 크기에 맞춰 펠트천을 자른 뒤 순간접착제를 이용해 바닥면에 펠트천을 붙인다.
2. 보안경과 라텍스 장갑을 끼고 수조에 이소프로필 알코올을 부어서 펠트천을 흠뻑 적신다. 천에 흡수되지 않은 알코올은 따라버린다.
3. 오븐용 장갑을 끼고, 드라이아이스를 얕은 용기에 담는다. 용기를 구이판으로 덮는다.
4. 펠트천이 위쪽으로 오도록 수조를 뒤집은 다음, 구이판 위에 올려놓는다. 남은 펠트천으로 수조와 구이판 사이의 틈새를 막는다. (이제 보안경과 장갑을 벗어도 되지만 옆에 계속 놓아둔다. 안개상자를 분해할 때 필요하기 때문이다.)
5. 알코올 증기가 수조를 채울 때까지 10분간 기다린다. 그리고 모든 조명을 끈 뒤에 플래시라이트로 수조를 비춘다.
6. 길을 잃은 사람처럼 이리저리 꺾여 있는 흔적이 보이나? 그건 전자 또는 양자의 흔적이다. 이들은 입자가 가벼워 공기 중의 분자와 부딪칠 때 튕겨나가기 때문에 지그재그의 항적이 나 타난다.
7. 짧고 굵은 흔적이 있다면 라돈(Rh)을 찾은 것이다. 공기 중의 라돈 원자는 양성자 2개와 중성자 2개로 이뤄진 덩치 큰 알파입자를 방출하기 때문이다. 참고로 라돈은 자연적으로 생성되는 강력한 방사성 원소다. 다만 대기 중 함유량이 극히 적어 인체에 유해한 수준의 방사선을 방출하지는 않는다.
8. 길고 곧은 항적이 보이나? 그렇다면 뮤온(muon) 입자의 소행일지 모른다. 뮤온은 우주선이 대기권 상층부의 분자와 충돌할 때 발생하는데, 질량이 커서 공기 중의 분자와 부딪쳐도
궤적의 변화 없이 밀고 나간다.
9. 하나의 흔적이 갑자기 여러 개로 분리됐다면 만세를 부르자. 입자 붕괴라는 역동적 물리학의 현장을 목격한 것이니 말이다. 자연계에서는 불안정한 많은 입자들이 붕괴를 통해 더 안정성 높은 입자로 바뀐다.
4m 지구 대기권과 동일한 수준의 우주선(cosmic ray) 방호력을 얻기 위해 필요한 콘크리트 벽의 두께.
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