안개 상자
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1. 개요
안개 상자는 과포화 증기를 이용하여 방사선의 궤적을 관찰하는 장치로, 1894년 찰스 톰슨 리스 윌슨에 의해 발명되었다. 윌슨은 이온이 응결핵 역할을 한다는 원리를 이용해 최초의 안개 상자를 제작했으며, 이후 패트릭 블랙켓, 드미트리 스코벨친 등에 의해 개량되었다. 1930년대에는 새로운 입자 발견에 기여했으며, 1952년 거품 상자의 발명으로 인해 중요성이 감소하여 현재는 과학관 전시나 교육용으로 사용된다. 안개 상자는 팽창형과 확산형으로 나뉘며, 자기장을 가하면 입자의 전하 부호를 판별할 수 있다.
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| 안개 상자 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 용도 | 전리 방사선 시각화 |
| 주요 실험 | 양전자 발견 |
| 발명가 | 찰스 톰슨 리스 윌슨 |
| 관련 항목 | 기포 계수기 선 계수기 |
2. 역사
찰스 톰슨 리스 윌슨은 1894년 벤 네비스 산 정상에서 브로켄 현상(브로켄의 요괴)을 보고 영감을 받아 안개 상자를 발명하게 되었다. 초기에는 습한 공기에서 구름 형성과 광학 현상을 연구하기 위한 팽창 상자를 개발하였으나, 곧 이 상자 안에서 이온들이 물방울을 형성하는 중심(응결핵)으로 작용할 수 있다는 것을 발견하였다. 1911년, 윌슨은 이온이 응결핵 역할을 하여 물방울을 형성하는 원리를 이용하여 최초의 안개 상자를 완성했다. 윌슨의 안개 상자는 밀봉된 장치 안의 공기를 수증기로 포화시킨 후, 막을 이용하여 공기를 단열 팽창시켜 공기와 수증기를 냉각시키고 응축이 일어나게 하였다. 이온화된 입자들이 상자를 통과할 때, 수증기가 이온 주위에 응축되어 입자의 자취가 증기 구름 속에서 보이게 된다. 윌슨은 안개 상자 개발 공로로 아서 콤프턴과 함께 1927년 노벨 물리학상을 수상하였다.[16][3][4]
2. 1. 윌슨의 발명 (1894-1912)
찰스 톰슨 리스 윌슨은 1894년 벤 네비스 산 정상에서 브로켄 현상(브로켄의 요괴)을 관찰하고 영감을 받아 안개 상자를 발명하게 되었다.[16] 초기에는 습한 공기에서 구름 형성과 광학 현상을 연구하기 위한 팽창 상자를 개발하였다.[3] 그는 곧 이 상자 안에서 이온들이 물방울을 형성하는 중심(응결핵)으로 작용할 수 있다는 것을 발견하였다.[3]1896년, 윌슨은 공기 중에 핵이 될 수 있는 먼지 등이 없는 조건에서 안개를 만들어낼 수 있는 장치를 제작했는데, 이것이 안개 상자의 시작이다. 윌슨은 이 장치로 관측한 결과, 포화 수증기량의 4배 이상 수분을 포함하면 먼지 등이 없더라도 안개 상자 속 수분이 물방울이 된다는 것을 발견했다.[17]
윌슨은 이 현상의 원인을 밝히기 위해 안개 상자에 X선을 쪼여 보았고, X선을 쪼인 부분의 안개가 진해지는 것을 확인했다. 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 X선이 주변 공기를 이온화한다는 것을 이미 발견했고, J.J. 톰슨과 어니스트 러더퍼드가 연구를 진행하고 있었다. 따라서 윌슨은 먼지가 없는 수증기 중에서 이온화된 공기가 수분을 끌어당긴다고 생각했다.[18]
이러한 윌슨의 생각은 1898년 J.J. 톰슨에 의해 증명되었다. 톰슨은 안개 상자에 극판을 설치하고 전압을 가한 상태에서 X선을 쪼이고 상자를 팽창시켰다. 그 결과 극판이 없는 곳에서는 안개가 발생했지만, 극판이 있는 곳에서는 안개가 발생하지 않았다. 이를 통해 안개의 핵이 되는 물질은 전하를 띠고 있으며, 이 정체는 이온임이 확인되었다.[19]
1911년, 윌슨은 이온이 응결핵 역할을 하여 물방울을 형성하는 원리를 이용하여 최초의 안개 상자를 완성했다.[3] 윌슨의 최초 안개 상자에서 밀봉된 장치 안의 공기는 수증기에 의해 포화되었고, 막은 상자 안의 공기를 단열 팽창시켜 공기와 수증기를 냉각시키고 응축이 일어나게 했다. 이온화된 입자들이 상자를 통과할 때, 수증기들이 이온들 주위에 응축되며 입자의 자취가 증기 구름들 속에서 보이게 된다.
윌슨은 1910년 안개 상자를 사용하여 X선 외에 알파선, 베타선, 감마선의 비적을 관측하여 발표했고, 1912년에는 더욱 개량한 안개 상자를 제작하여 방사선의 비적을 촬영했다.[21] 윌슨은 안개 상자 개발 공로로 아서 콤프턴과 함께 1927년 노벨 물리학상을 수상하였다.[4]
2. 2. 블랙켓의 안개 상자 개량 (1920년대)
패트릭 블랙켓은 시미즈 타케오의 연구를 이어받아 1922년에 자동 압축·팽창을 반복하는 안개 상자를 완성했다. 이 안개 상자는 피스톤이 자동으로 상하로 움직이며, 15초에 한 장 간격으로 사진을 촬영할 수 있었다.[22]블랙켓은 이 안개 상자를 사용하여 질소 원자에 알파선이 부딪히는 모습을 촬영했다. 촬영한 사진 23,000장 중 8장에서 입사한 알파선 외에 가늘고 긴 궤적 1개와 짧고 굵은 궤적 1개가 찍혀 있었다. 가늘고 긴 궤적은 양성자로 추정되었고, 튕겨져 나간 알파선의 궤적이 보이지 않았기 때문에 알파 입자가 질소 원자와 결합했다고 추정할 수 있었다. 이는 러더퍼드가 1917년에 발표한 이론과 일치하는 것이었다.[23]
1927년, 스코벨친은 처음으로 안개 상자를 사용하여 우주선을 관측했다.[24] 이 관측은 안개 상자에 자기장을 건 상태에서 이루어졌지만, 촬영된 우주선의 궤적은 거의 직선이었다. 따라서 우주선은 자기장의 영향을 받지 않을 정도로 높은 에너지를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.[25] 1929년에는 궤적이 안개 상자 안의 한 점에서 샤워처럼 분산되는 현상을 관측했다.[26]
2. 3. 새로운 입자 발견과 확산형 안개 상자의 발명 (1930년대)
1932년, 칼 데이비드 앤더슨은 자기장 안에서 안개 상자를 관측하던 중 전자와 같은 질량을 가지고 반대 방향으로 휘는 궤적을 발견했다. 이것은 폴 디랙이 예언했던 양전자를 입증하는 것이었다. 이 발견을 계기로 디랙은 이듬해 1933년에 노벨상을 수상했고, 앤더슨도 1936년에 노벨상을 수상했다[23]。
앤더슨은 1935년, 전자와 양성자의 중간 정도의 휨을 보이는 궤적을 발견했다. 양성자의 질량은 전자의 1800배이지만, 이 입자는 전자의 200배의 질량이었다. 이 입자는 발견 당시 유카와 히데키가 예언한 중간자라고 생각되었지만, 이후 뮤 입자(뮤온)로 판명되었다.
1930년대에는 안개 상자 자체에도 큰 변화가 있었다. 1931년, 주세페 오키알리니는 계수관을 사용하여 안개 상자를 자동으로 팽창시키는 장치를 개발하여 브래킷과 공동으로 실험을 진행했다[27]。 1939년, A. 랑스도르프에 의해 확산 안개 상자가 발명되었다. 이들은 그 후의 안개 상자에 큰 영향을 미쳤다[28]。
2. 4. 거품 상자의 발명과 안개 상자의 쇠퇴 (1940년대 이후)
1947년, 조지 디크슨 로체스터와 클리포드 찰스 버틀러는 안개 상자 사진에서 V자형 궤적(K 중간자)을 발견하였다. 1953년, 나카노 도시오, 니시지마 가즈히코, 머레이 겔만은 스트레인지니스라는 양자수를 도입하여 이 궤적을 설명하였다.(나카노-니시지마-겔만 법칙)[29]1952년, 도널드 글레이저는 액체 수소를 이용하는 거품 상자를 발명하였다. 거품 상자는 액체를 사용하여 기체보다 약 1000배 높은 밀도로 더 상세한 관측이 가능했다.[30] 거품 상자의 발명으로 안개 상자는 1960년대 이후 연구 목적의 사용이 줄고, 교육 및 전시 목적으로 주로 활용되고 있다.[31]
3. 원리
안개 상자는 과포화 상태의 증기를 이용하여 방사선의 비적(飛跡, 날아간 자취)을 관측하는 장치이다. 기체가 포함할 수 있는 최대 증기량인 포화 증기량은 온도에 따라 달라지며, 온도가 높을수록 증가하고 낮을수록 감소한다. 기체의 온도가 내려가면 포화 증기량이 감소하여 기체 내에 머무를 수 없게 된 증기는 액적이 된다.
일반적으로 액적이 되기 위해서는 응결핵 역할을 하는 중심핵이 필요하다. 보통 대기 중의 미세한 먼지나 흙이 이러한 역할을 담당한다. 하지만 먼지나 흙이 없는 순수한 기체에서는 응결핵이 될 만한 것이 없어, 기체는 포화 증기량보다 많은 증기를 포함하는 과포화 상태가 될 수 있다.
안개 상자는 인공적으로 과포화 상태를 만든다. 과포화 상태의 기체에 하전 입자나 방사선이 들어오면, 방사선은 주변 공기를 이온화시켜 응결핵과 같은 역할을 한다. 물은 극성 분자이므로 이온화된 공기에 끌려가 방사선의 궤적을 따라 액적이 형성된다. 이 액적에 빛을 비추면 방사선의 움직임을 선으로 관찰할 수 있다.[7]
확산형 안개 상자의 경우, 이소프로판올, 메탄올 등의 알코올 증기가 챔버를 포화시킨다. 알코올은 냉각되면서 아래로 떨어지고, 차가운 응축기는 급격한 온도 변화를 만들어 과포화 환경을 조성한다. 에너지 입자가 기체를 통과하면 이온화 흔적이 남고, 알코올 증기는 이 흔적 주변에 응축된다. 이는 알코올과 물 분자가 극성을 띠어 주변의 자유 전하에 끌리기 때문이다. 그 결과, 응축기 쪽으로 떨어지는 물방울 형태의 안개 구름이 형성된다.
4. 종류
안개 상자는 과포화 상태를 만드는 방법에 따라 크게 팽창 안개 상자와 확산 안개 상자로 분류된다.
찰스 톰슨 리스 윌슨이 발명한 팽창 안개 상자는 단열 팽창을 통해 과포화 상태를 만든다. 팽창할 때만 궤적을 관측할 수 있어 연속적인 관측이 어렵고, 방사선이 입사하지 않으면 궤적을 볼 수 없다는 단점이 있다.
확산 안개 상자는 위쪽은 따뜻하게, 아래쪽은 차갑게 유지하여 온도 차이를 만들고, 이로 인해 과포화 상태를 유도한다. 이소프로판올이나 메탄올 등의 알코올 증기가 사용되며, 에너지 입자가 지나가면서 남긴 이온화 흔적에 알코올 증기가 응축되어 궤적을 관찰할 수 있다. 팽창 안개 상자와 달리 지속적으로 관측할 수 있지만, 과포화 영역이 제한적이라는 단점이 있다. 자기장을 가하면 로렌츠 힘에 의해 양전하와 음전하 입자가 반대 방향으로 휘는 것을 볼 수 있는데, 이는 양전자의 존재를 증명하는 데 사용되기도 했다.
4. 1. 팽창 안개 상자 (윌슨 안개 상자)
찰스 톰슨 리스 윌슨이 발명한 팽창 안개 상자는 공기를 단열 팽창시켜 과포화 상태를 만드는 원리를 이용한다. 윌슨 안개 상자라고 불릴 때는 이 팽창 안개 상자만을 가리키는 경우가 많다.[10]피스톤을 당겨 공기를 팽창시키면 상자 안의 온도가 내려가고, 공기 중에 포함될 수 있는 증기량이 줄어들어 상자 안은 일시적으로 과포화 상태가 된다. 이때 방사선이 입사하면 그 궤적이 보이게 된다.
팽창 안개 상자는 팽창 시에만 궤적을 관측할 수 있다는 단점이 있다. 한 번 팽창시키면 다시 관측 준비가 완료되기까지 5~6분 정도 소요되어[11] 연속적인 관측이 어렵다. 또한, 팽창 시 방사선이 입사하지 않으면 궤적을 관측할 수 없다. 이를 보완하기 위해 GM 계수관을 설치하여 방사선을 감지했을 때 자동으로 안개 상자가 팽창하는 시스템을 갖춘 안개 상자도 많이 사용된다.[12]
4. 2. 확산 안개 상자
확산형 안개 상자는 밀폐된 환경에서 위쪽은 따뜻하게, 아래쪽은 차갑게 유지하여 작동한다(그림 3 참조).[7] 이소프로판올, 메탄올 등 알코올 증기가 챔버를 채우고, 알코올이 아래로 떨어지면서 냉각되는 과정에서 급격한 온도 변화가 발생한다. 이로 인해 과포화 상태가 만들어진다. 에너지 입자가 기체를 통과하면 이온화된 흔적이 남고, 알코올 증기는 이 흔적 주변에 응축된다. 알코올과 물 분자가 극성을 띠기 때문에 주변의 자유 전하에 끌리기 때문이다(그림 4 참조). 그 결과, 응축기 쪽으로 떨어지는 물방울 때문에 안개 구름 같은 모양이 나타나고, 이를 통해 입자의 궤적을 관찰할 수 있다.[7] 그림 5는 Pb-210에서 방출된 알파 입자가 러더퍼드 산란을 겪는 모습을 보여준다.
차가운 응축기 판 바로 위는 이온화 흔적에 민감한 영역으로, 방사성 입자가 남긴 이온 흔적은 응축과 구름 형성을 유발한다.[7] 이 민감한 영역은 급격한 온도 변화와 안정적인 조건을 통해 높이를 조절할 수 있다.[7] 강한 전기장을 사용하면 구름 궤적을 민감한 영역으로 유도하여 관찰을 용이하게 할 수 있다. 또한, 전기장은 민감한 영역 위에 응축이 형성되어 궤적 관찰을 방해하는 "비" 현상을 막는 데에도 사용된다. 검은색 배경은 구름 궤적을 더 쉽게 볼 수 있게 해주며, 흰색 물방울을 비추기 위해 접선 방향의 광원이 사용되기도 한다. 응축기 판에 얕은 알코올 웅덩이가 형성될 때까지 궤적이 나타나지 않는 경우도 있다.
자기장을 가하면 로렌츠 힘의 법칙에 따라 양전하와 음전하 입자가 반대 방향으로 휘어지는 것을 관찰할 수 있다. 하지만 소형 실험 장치에서는 강력한 자기장을 만들기 어렵다. 이 방법은 1932년 폴 디랙의 이론적 증명(1928년 발표)에 따라 양전자의 존재를 증명하는 데에도 사용되었다.[8]
확산 안개 상자는 챔버 내 온도 차이를 이용하여 과포화 상태를 만든다. 상자 윗부분에는 액체(주로 물이나 알코올)를 흘려보내거나 적신 천을 설치하고, 아랫부분은 드라이아이스나 액체 질소로 냉각시킨다. 윗부분을 따뜻하게 하면 증발된 액체가 아래로 이동하면서 냉각되어 과포화 상태가 되는 영역이 나타난다.
확산 안개 상자는 팽창 안개 상자와 달리 지속적으로 방사선을 관측할 수 있다는 장점이 있지만, 과포화 영역이 제한적이라 안개 상자 일부에서만 궤적을 볼 수 있다는 단점이 있다.
5. 구조 및 작동 (확산 안개 상자 기준)
확산 안개 상자는 밀폐된 용기, 상단의 따뜻한 알코올 공급원, 하단의 차가운 냉각판으로 구성된다(그림 3 참조). 이소프로판올, 메탄올 등 액체 알코올 증기가 챔버를 포화시킨다. 알코올은 냉각되면서 아래로 떨어지고, 차가운 응축기는 급격한 온도 구배를 제공하여 과포화 환경을 조성한다.
에너지 입자가 기체를 통과하면 이온화 흔적이 남는다. 알코올 증기는 이온화 입자에 의해 남겨진 기체 이온 흔적 주위에 응축된다. 이는 알코올과 물 분자가 극성이어서 근처의 자유 전하에 대한 순 인력을 발생시키기 때문이다(그림 4 참조). 그 결과 응축기로 떨어지는 물방울의 존재로 보이는 안개 구름과 같은 형성이 나타난다. 트랙이 소스에서 방출되면 그 기점을 쉽게 결정할 수 있다.[7]
차가운 응축기 판 바로 위에는 이온화 흔적에 민감한 챔버의 부피가 있다. 방사성 입자에 의해 남겨진 이온 흔적은 응축 및 구름 형성에 최적의 트리거를 제공한다. 이 민감한 부피는 급격한 온도 구배와 안정적인 조건을 사용하여 높이를 증가시킨다.[7] 강한 전기장은 종종 구름 트랙을 챔버의 민감한 영역으로 끌어들여 챔버의 감도를 높이는 데 사용된다. 전기장은 또한 민감한 챔버의 부피 위에 응축이 형성되어 지속적인 강수로 인해 트랙을 가리는 배경 "비"가 민감한 영역을 가리는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다. 검은색 배경은 구름 트랙을 더 쉽게 관찰할 수 있게 해주며, 일반적으로 검은색 배경에 흰색 물방울을 비추기 위해 접선 광원이 필요하다.
자기장이 안개 상자에 가해지면, 양전하 입자와 음전하 입자는 로렌츠 힘 법칙에 따라 반대 방향으로 곡선을 그리게 된다. 그러나 강력한 자기장은 작은 취미가 설정에서는 달성하기 어렵다.
6. 관측
찰스 톰슨 리스 윌슨은 브로켄 현상에 자극을 받아 안개 상자를 발명하였다. 그는 이온들이 물방울을 형성하는 중심(응결핵)으로 작용할 수 있다는 것을 발견하고, 1911년 첫 안개 상자를 완성했다. 윌슨의 최초 안개 상자에서 밀봉된 장치 안의 공기는 수증기에 의해 포화되었고, 막은 상자 안의 공기를 팽창시켜 (단열 팽창) 냉각 응축이 일어나게 한다. 이온화된 입자들이 상자를 통과할 때, 수증기들이 이온 주위에 응축되며, 입자의 자취가 증기 구름 속에서 보이게 된다. 윌슨은 이 공로로 아서 콤프턴과 함께 1927년 노벨 물리학상을 수상하였다.
안개 상자 내에서는 방사선의 종류에 따라 다른 비적을 관측할 수 있으며, 자기장 하에서는 하전 입자의 궤적을 통해 운동량과 전하 부호를 판별할 수 있다.
6. 1. 방사선 종류에 따른 비적
안개 상자 내에서 방사선의 종류에 따라 비행 자취가 다르게 나타나는 이유는 각 입자의 특성 때문이다.- 알파 입자(헬륨 원자핵): 굵고 뚜렷한 직선 궤적을 남긴다. 알파 입자는 다른 방사선에 비해 크기가 커서 주변의 전자를 대량으로 튕겨내며, 이 과정에서 에너지를 빠르게 잃고 짧은 거리(수 센티미터)만 이동한다.[13]
- 베타 입자(전자): 가늘고 구불구불한 궤적을 보인다. 베타 입자는 기체 분자와 자주 충돌하여 경로가 꺾이기 때문이다.[14]
- 감마선: 직접적인 궤적은 관측되지 않지만, 감마선이 튕겨낸 전자의 궤적(베타 입자의 궤적)을 통해 간접적으로 관측할 수 있다.[14]
- 뮤온: 가늘고 긴 직선 궤적을 만든다.
6. 2. 자기장 하에서의 궤적
자기장이 있는 상태에서 하전 입자가 안개 상자를 통과하면, 로렌츠 힘을 받아 진행 방향이 굽어진다. 궤적이 곡선으로 나타나는 것을 통해 이를 관찰할 수 있다. 곡률 반지름을 ρ[m], 자기장을 H[T], 입자의 운동량을 p[MeV/c]라고 하면, 다음과 같은 관계가 성립한다.[15]p = 300Hρ
따라서 곡률 반지름을 측정하여 입자의 운동량을 계산할 수 있다.
또한, 궤적이 휘는 방향을 통해 입자의 전하 부호를 판별할 수 있다. 그러나 일반적인 안개 상자 사진으로는 방사선의 진행 방향을 알 수 없어 굽어진 방향을 판단하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 안개 상자 내에 납판을 설치하여 관찰하기도 한다. 입자가 납판을 통과하면 운동량이 감소하고, 이에 따라 곡률 반지름이 작아져 더 크게 휘어진다. 납판 전후 궤적의 곡률을 비교하여 방사선의 진행 방향을 알아낼 수 있다.[15]
7. 한국 내 전시 시설
8. 기타
1950년, 미국에서 어린이용 장난감인 "길버트 U-238 원자력 연구실"로 윌슨 안개 상자가 방사성 물질 등과 함께 시판된 적이 있다.[32]
참조
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