물리 상식 정리

물리 상식 정리 

속도, 운동량, 에너지

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이것들은, 소립자나 관측자의 운동 상태에 따라 변화하는 양으로, 소입자에 "고유의 특성"은 아니지만, 소입자의 특성을 측정할 때에 필요하므로 여기서 설명한다.

속도는, 2개 이상의 검출기를 이용해, 소립자의 통과 시간을 측정해, 그것으로 거리를 나누는 것으로 구한다.

이것은, 비행 시간(TOF) 측정이라고 불리는 방법이다.

그 밖에, 물질중을 진행했을 때의 전리량(전하의 항을 참조)을 이용하는 방법(dE/dx 검출기), 체렌코프 빛의 방출을 이용하는 방법(체렌코프 카운터)이 있다.

운동량은 하전입자의 경우, 동일한 자기장 안을 나아갈 때 로렌츠력에 의해 커브(원호)를 그리는데, 이 곡률반경이 운동량에 비례하는 것을 이용한다.

이런 검출기를 자기 스펙트로미터라고 부른다.

단, 이 경우 소립자의 전하를 알고 있어야 한다.

전하를 가진 소립자의 전하는 대부분의 경우 전자의 전하와 절대치가 같지만 전하의 항에 있는 방법으로 측정하는 것도 가능하다.

에너지는 전자, 광자, 고에너지인 허드론의 경우 입자를 충분한 두께의 물질에 대면 거의 모든 에너지를 물질 속에 방출한다.

이 에너지를 빛의 밝기나 전류량(물질 속의 전리된 전자의 전하)을 통해 측정한다.

이런 측정기를 칼로리미터라고 부른다.

즉시 붕괴하는 입자의 운동량(또는 에너지)은 붕괴 후의 입자 모든 운동량(또는 에너지)의 합이다(운동량의 경우는 벡터합). 속도는 붕괴 후의 입자계의 중심 속도와 같다.

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질량

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속도와 운동량에서 특수상대론을 이용해 질량을 산출할 수 있다.

붕괴된 입자의 경우에도, 이것은 같다.

이 경우, 질량은 붕괴 후 입자군의 중심계에서의 에너지 총합에 일치한다.

여기서 측정되는 것은 관성질량이다.

중력질량 측정은 중력이 약하기 때문에 양성자 등을 제외하면 현재의 기술로는 불가능하다.

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전하

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물질 속을 나아가는 하전입자는 물질의 일부를 전리시키는데, 이 전리의 양은 하전입자의 속도와 전하에 의존한다.속도를 알면 전하는 전리량에서 구할 수 있다.

여기서 측정되는 것은 전하의 절대치이다.

부호는, 자기장안에서 진행 방향이 바뀌는 것부터 플레밍의 왼손의 법칙을 이용해 구한다.

붕괴된 입자의 경우는 붕괴 후 입자의 전하의 합에서 이를 구할 수 있다.

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가우스 분포

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어떤 확률에서 일어나는 미소의 측정오차가 다수 겹쳤지만 극한분포(중심극한정리) 으로 가우스가 처음 도입하였다.

가우스 분포 확률 밀도 함수는 평균치를 중심으로 좌우 대칭 그래프를 그린다.

평균치로부터 멀어져 가면, 확률 밀도가 0이 되는 가로축에 점근한다.

또 분산이라 불리는 양에 의해 분포 확대가 나타난다.

관측해 얻은 측정치는, 대부분의 경우, 가우스 분포를 이루는 것을 알 수 있다.

거기서 측정을 다수 반복함으로써 그 평균값을 구하고 가우스 분포의 분산으로부터 측정오차(통계오차) 를 결정할 수 있다.

학교에서 행해지는 시험의 득점을 도수 분포로 했을 때, 평균점을 정점에 있는 확대를 가지는 분포가 되면, 그것을 가우스 분포로서 볼 수도 있다.

통계학에 한정되지 않고, 많은 분야에 유용한 분포이다.

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몬테카를로법

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난수를 사용해 시뮬레이션을 실시하고 확률적인 현상을 갖는 문제를 해석하는 기법 중 하나.컴퓨터의 출현에 의해, 우람이 노이만과 함께 생각해 낸 수법이다.

예를 들어 반경1의 원의 면적(=π)을 구할 경우, 원에 외접하는 한 변의 길이가 2의 정사각형 안에 균등하게 모래를 뿌리고, 원 내부에 들어가는 모래알을 세어 전체에 대한 비율을 알면 된다.

일반적으로 컴퓨터는 의사난수(순회하는 난수열)밖에 만들어 낼 수 없으므로 계산량에 비해 정확도가 떨어진다.

또한 몬테카를로는 모나코에 있는 카지노 도시에서 따온 것이다.

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크라이스트론

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마이크로파를 발생시키는 진공관의 일종.0.510GHz 정도의 고주파 발진 또는 증폭에 사용된다.

1939년 미국에서 발명됐다.

공동공진기를 단독으로 사용하는 반사형 크라이스트론과 여러 개를 직렬로 연결하는 직진형 크라이스트론 두 종류가 있다.

반사형 크라이스트론은 하나의 공진기를 고주파 전장의 입력과 출력으로 동시에 이용한다.

그리고 반사전극으로 전자를 역행시켜 공진에 의한 마이크로파를 발생시킨다.

직진형 크라이스트론은 여러 공진기 사이에서 속도변조와 밀도변조를 반복함으로써 마이크로파를 발생시킨다.

직진형은, 큰 출력을 꺼낼 수 있는 것이 특징이다.

크라이스트론이라는 명칭은 해변에서 파도가 부서진다는 그리스어 klyzo에서 따왔다.

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진행 파관

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마이크로파를 증폭시키는 진공관의 일종.

마이크로파의 위상속도와 거의 같은 속도로 진행하는 전자빔을 만들어 그 전자빔에 속도변조와 밀도변조를 주고 양자간에 상호작용시킴으로써 마이크로파를 증폭시킨다.

파의 위상속도가 느려지도록 설계한 도파관을 사용해 축방향의 전자빔 속도가 마이크로파의 위상속도보다 약간 더 커지도록 하면 전자빔의 에너지가 마이크로파에 주어진다.

대부분의 경우 나선형으로 감은 도체를 지파회로로 이용함으로써 마이크로파의 행로장을 연장하고 나선축방향의 위상속도를 감소시킨다.

수 GHz~수십 GHz의 넓은 주파수대에 걸쳐서 마이크로파를 증폭할 수 있다.

위성통신 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.

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광전자 증배관

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미량의 빛을 증폭시켜 포착하는 검출기.

광자가 광전자증배관내의 반도체박막에 닿으면 광전효과에 의해 전자가 두드려진다.

이 광전자는, 전장에 의해서 양극쪽으로 가속되어 그 사이에 충분한 에너지를 얻는다.게다가 양극에 충돌해 몇개의 2차 전자를 두드려 낸다.

이렇게 두드려진 2차 전자는 같은 과정에서 새로운 전자를 두드려내면서 속속 이 과정이 반복된다.

이렇게 해서 얻은 대량의 전자는, 거시적인 전기 신호가 되어 관측할 수 있게 된다.

아주 미약한 빛이라도 광전자증배관 내부에서 다단계 증폭되기 때문에 매우 좋은 감도로 검출할 수 있는 것이 특징이다.

최근의 응용 예로는 슈퍼카미오칸데의 중성미자 검출에 이용되고 있다.

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SOR

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자기장내를 광속에 가까운 속도로 원운동하고 있는 하전 입자로부터 방사되는 전자파.

싱크로트론 방사광이라고도 한다.

특히 파장 15nm의 X선이 강하게 방사되는 것이 특징이다.

전자 싱크로트론 가속기로부터의 방사는 진공 자외, XUV, X선 영역의 연속광원으로 강도, 지향성, 편광특성, 펄스특성 등의 뛰어난 성질을 갖고 있다.

현재는 그 특징을 살려 물성연구, X선 구조해석, 생체 방사선 효과 등 폭넓은 연구 분야에서 사용되고 있다.

또, 은하 전파안이나 펄서의 전파에도 발견되고 있다.

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자유 전자 레이저

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전자 싱크로트론의 직선 부분으로 이중나선 코일(헬리컬 위글러라고 한다) 서로 역방향의 전류를 흘려 나선형으로 변화하는 자기장을 만들면, 그 안을 달리는 전자선에서는 스펙트럼폭이 좁은 전자파가 방사된다.

이것에 유도 방사를 실시시키면 레이저 발진을 일으킬 수 있다.

이것을 자유전자 레이저라고 부른다.

자유전자레이저는 매우 높은 에너지의 전자빔을 사용하기 때문에 기가와트 정도의 큰 출력을 얻을 수 있다.

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세포

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바이러스를 제외한 모든 생물체의 구성 단위.

세포는 외계와 한 장의 막(세포막) 막힌 구조를 가지고 있으며 분열에 의해 증식한다.

한 세포로 이루어진 단세포생물과 여러 개의 세포로 이루어진 다세포생물로 분류된다.

인간은 약 70조 개의 세포로 이루어진 다세포 생물이다.

세포 내부에는 핵, 미토콘드리아, 골지체, 중심체 등이 들어 있다.식물세포는 여기에 엽록체, 발달한 액포를 포함하고 있어 동물세포와는 다른 구조를 하고 있다.

세포 발견은 1667년 후크가 코르크 조각을 관찰하면서 벌집 모양의 세포벽을 발견하면서 시작된다.

이때 처음 세포라는 이름이 붙었다.

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핵

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세포내에 있고, 이중 구조의 핵막으로 나누어진 세포 소기관.유전 정보의 담당자인 DNA를 포함하고 있다.

생명활동에 필수적인 효소 등의 단백질은 이 유전정보를 바탕으로 합성돼 있다.

따라서 핵을 제거한 세포는 생존 불가능해진다.

세포분열 때 핵막은 없어지고 실 모양의 염색체가 두 개의 딸 세포로 분배된다.

또한 세균 등 단순한 구조를 가진 세포에는 핵막은 존재하지 않는다.

이를 원핵세포라고 한다.

또 이에 대해 핵막이 존재하는 세포를 진핵세포라고 부른다.

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CT (컴퓨터 단층촬영법)

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일반적으로 컴퓨터와 X선 주사장치를 이용해 체내의 정밀한 단층상을 얻는 방법.

통상적인 X선 촬영(엑스레이 사진)으로는 평면적인 조직의 밀도 분포밖에 알 수 없다.

이것에 대해, 몸의 모든 방향에서 X선원과 X선 검출기를 회전 주사해, 그 결과를 컴퓨터를 이용해 계산함으로써, 인체 단면의 보다 정밀한 화상화를 실시할 수 있다.

1972년 두부단면 촬영에 처음 X선을 이용한 단층촬영법이 응용됐다.

조영제와 조합한 조영 CT도 개발되어 요로 혈관조영과 경구 소화관 조영 등이 이루어지고 있다.

X선 대신 초음파, 핵자기공명, 양성자 등 입자선을 사용하는 CT 장치 개발도 추진되고 있다.

최근에는 조사관을 연속 회전시켜 촬영하는 헬리컬 스캔CT가 개발돼 움직이는 인체 촬영도 가능해졌다.

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방사선 치료

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방사선을 조사해 체내의 암조직(악성 종양)을 파괴하는 치료법.

방사선으로서 X선, 감마선, 전자선(베타선) 및 양성자, 중성자, 중간자 등의 입자선이 이용된다.

코발트등을 선원으로 해, 외부로부터 체내의 암조직에 조사 하는 방법이 채용되고 있다.

또 이리듐 등 방사성 물질을 암 병소에 직접 심는 방법도 있다.

암의 종류에 따라 방사선에 대한 생체적 감수성이 달라져 선량 분포 개선, 최적의 시간적 선량 배분 등의 연구가 진행되고 있다.

피부암, 자궁경부암, 두경부(구강, 위턱 및 후두) 암, 악성림프종 등은 조기 발견의 경우 방사선 치료만으로 치유 가능하다.

진행암이나 기타 암에 대해서도 암 조직절단수술, 화학적 항암제 등과 조합함으로써 치료가 유효한 경우도 있다.

또 암 압박으로 인한 기도폐색 등 긴급시에는 즉각적인 효과를 기대하고 일시적인 방사선 조사가 이뤄지기도 한다.방사선 치료에 의한 부작용으로는 주위의 정상 조직이나 조사 부위의 체표 피부 장애, 혈액세포 감소 등이 있다.

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중입자선 치료

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탄소(질량수12), 네온(20), 규소(28), 아르곤(40) 등의 중이온을 조사하여 체내의 암조직(악성종양)을 파괴하는 치료법. 중입자선 치료는 암병소에 큰 선량을 조사하여 국소치료를 할 수 있으며 정상조직에 장애를 최소화할 수 있다는 특징이 있다.

또 기존 X선에서는 효과가 없었던 종류의 암에 대한 치유율 향상도 기대되고 있다.

X선 CT나 MRI에 의한 암 병소의 정확한 위치 파악, 환자의 고정, 방사선의 정밀화 등의 기술의 진보에 의해 실현이 가능해졌다.

구체적으로는 선형가속기로 가속된 중이온을 싱크로트론으로 다시 100600MeV까지 가속해 목표체 심부에까지 도달시킨다.

현재 전 세계적으로 가동되고 있는 것은 1994년 운용을 시작한 일본의 방사선 의학종합연구소의 HIMAC뿐이다.

 

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