입자를 부숴보자

목적

위치 에너지, 운동 에너지, 결합 에너지, 입자 가속기의 원리, 핵분열 소개하기

학습 목표

• 에너지가 위치 에너지에서 운동 에너지로 변환되고 결합에너지와 열 에너지로 변환되며 다시 운동 에너지로 변환되는 것을 보일 수 있다.
• 미끄럼틀의 더 높은 지점에서 미끄러지는 구슬이 더 먼 거리에 도달하기 때문에 더 높은 위치 에너지를 가지고 있다는 것을 증명할 수 있다.
• 구슬이 멈추는 것을 보여줌으로써 마찰이 미치는 영향을 설명할 수 있다.
• 결합 시스템(분자, 원자핵)을 분해하는 임계 에너지가 있음을 알 수 있다.
• 과학자들이 물질을 연구하기 위해서 이 효과를 사용함을 이해할 수 있다.

평가

• 구슬이 구르기 시작하는 높이와 도달 지점의 거리까지의 관계를 나타내는 간단한 그림을 그린다. 학생들에게 현상(왜 다른 고도의 미끄럼틀은 다른 영향을 받는지)에 대해 간단한 설명과 이것이 적용된 다양한 예제를 설명하도록 한다. 구슬이 주어진 거리에 도달하는데 필요한 시작 높이를 예측한다. 만약 바닥에 카펫이 깔려있다면 무슨 일이 일어날까?
• 일부 유리구슬 무리는 깨어지지는 않지만 이동한다. 대상이 되는 유리구슬 무리 내 구슬 개수를 바꾸면서 쇠구슬의 시작점 높이를 유리구슬 무리의 이동과 연관시킨다(가능하다면 간단한 그래프로 나타낸다). 학생들은 목표물의 질량 또한 중요한 역할을 한다는 것을 깨닫는다.
• 학생들은 다음의 질문에 대해서 토의하고 간단한 설명을 하여야 한다.
• 왜 높이가 다르면 다른 영향을 받는가?
• 우리가 유리구슬을 고정하기 위해서 다른 풀을 사용하면 어떤 일이 일어나는가?
• 풀의 저항이 굉장히 강하면 우리는 더 긴 미끄럼틀이 필요한가?
• 정면충돌이 아니라 정면을 벗어난 가장자리에 충돌하면 무슨 일이 일어나는가?

준비물

• 전기 기사가 사용하는 플라스틱 튜브(개당 5유로)
• 유리구슬 (50개에 5유로)
• 쇠구슬 (50개에 5유로)
• 접착성 퍼티(예: 파타픽스, 블루택)(개당 3유로)
• 열간 접착제
• 자석

배경지식

• 위치 에너지 : 위치 에너지는 물체가 특정 위치에 있는 중력장(우리의 경우)에 놓일 때 “저장”되는 에너지이다. 이 “저장된” 에너지는 쉽게 운동 에너지로 전환될 수 있다. 운동 에너지는 속도, 물체의 질량과 관련된 에너지이다. 게다가 이 운동 에너지는 입자들을 분리하기 위해서 사용된다.
• 마찰 : 마찰은 물체의 움직임에 대한 저항이다. 이는 에너지를 소모하는 방법이다(이번 활동에서는 운동에너지가 열에너지로 바뀌는 것).
• 결합 에너지: 결합 에너지란 여러 부분으로 이루어진 하나의 시스템을 각기 부분으로 분해하는데 필요한 에너지다.
• 입자 충돌: 내부의 원자, 입자, 분자의 내부를 알기 위해서 과학자들은 이런 물체들을 “총알 입자”로 때린다. 만약 총알의 운동 에너지가 결합 에너지 보다 크다면 원자, 입자, 분자들을 분해하여 그 구성 요소들을 파악할 수 있다.
• 입자 가속기: 입자 가속기는 입자를 분해하에 충분한 속도(따라서 운동 에너지)에 도달하도록 설계된 장치이다(참고, http://www.cernland.net/).

전체 활동 설명

이 활동은 세 단계로 나눠진다.

1) 학생들은 서로 다른 높이의 미끄럼틀에서 쇠구슬을 굴린다. 학생들은 출발점이 더 높으면 구슬이 더 멀리 이동한다는 것을 알아차린다. 이것은 중력이 운동 에너지를 생성한다는 것을 나타낸다.

2) 학생들은 접착제로 유리구슬(대부분 3개)을 붙인다. 이 시스템은 분자나 원자핵을 나타낸다.

3) 미끄럼틀의 아래에서부터 구슬을 굴려 여러 개로 이루어진 구슬 무리가 분리되기에 충분한 최소 높이를 찾는다.

준비

플라스틱 튜브를 가져다가 길이가 70cm 정도 되는 세 조각으로 자른다. 튜브 본체의 지지대 두 개는 90도 각도로 열간 접착제로 붙여져 프레임을 만든다. 마지막 조각은 이 구조물에 앉혀서 미끄럼틀을 만든다(그림 1).

(그림 1)

가설 : “에너지는 생성되거나 파괴되지 않는다. 에너지는 오직 하나의 형태에서 다른 형태로 변환될 뿐이다.”

설명 : 에너지에는 여러 가지 형태가 있다. 운동 에너지는 물체의 속도와 관련이 있다. 하지만 내가 자동차를 멈춘다면 에너지는 어디로 가는가? 열로 간다. 당신은 자동차가 멈춘 후에 브레이크의 온도를 측정할 수 있다. 간단하게 손을 비비는 것을 통해 운동 에너지를 열로 전환시켜 보자.

단계 1 :

학생들은 각각 다른 높이의 미끄럼틀에서 쇠구슬을 떨어뜨린 후 멈출 때까지의 거리를 측정한다. 선생님들은 이때 일어난 현상과 왜 이런 일이 일어나는지 학생들에게 반드시 물어봐야한다. 첫 번째 관찰에 따르면 미끄럼틀의 시작점이 높을수록 멈추기 전까지 구슬이 주행한 거리가 더 길어진다.

1) 중력은 각각의 구슬에게 운동 에너지를 제공한다(더 정밀하게 말하면 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된다.).

2) 마찰이 구슬을 멈추게 한다(에너지는 열로 전환된다.).

가설 : “물체는 서로 묶여 있기 때문에 결합을 깨기 위해서는 에너지가 필요하다.”

설명 : 1cm 혹은 1m 높이에서 물체(예: 계란 등)를 떨어트리면 어떻게 될까? 첫 번째 경우 계란의 표면에서 약간의 손상이 관찰되고, 두 번째 경우에는 계란이 아예 부서진다. 그렇다면 계란의 운동 에너지는 어디로 갔을까? 계란을 깨는데 사용되었다. 우리는 물체를 깨는데 필요한 특정 양의 에너지를 “결합 에너지”라고 부른다.

단계 2 :

매우 적은 양의 접착제를 사용해서 유리구슬 덩어리를 만든다(그림 2). 이는 분자, 원자핵, 혹은 더 일반적으로 “시스템”을 나타낸다.

(그림 2)

이 결합을 깨는 장치는 무엇인가? 결합 시스템을 깨는 데는 일정 양의 에너지가 필요하며 에너지가 너무 적다면 아무런 일도 일어나지 않는다.

유리구슬 무리를 미끄럼틀 아래 부분에 고정한 다음 쇠구슬을 미끄럼틀 위에서 미끄러져 내리도록 한다(그림 3). 에너지가 유리구슬 무리에 분리시킬 수 있을 때까지 단계적으로 높이를 높인다(그림 4)(참고 https://www.youtube.com/watch?v=7CHrKoGuZqQ).

(그림 3)

(그림 4)

세 개 이상의 구슬을 묶어서 다양한 충돌 유형(정면충돌, 중심 외 충돌)을 시도한다. 무슨 일이 일어나는지 설명한다. 왜 특정 경우에는 구슬들이 분리될까?

단계 3 :

어떤 경우는 유리구슬들의 결합이 매우 강해서 쇠구슬을 더 높은 지점에서 떨어뜨려야 하고 이 경우 많은 공간이 필요할 것이다. 또는 다른 에너지 공급원을 사용해서 결합을 깰 수도 있다. 한 가지 가능한 방법은 자석으로 구슬을 미는 것이다.

우리는 무엇을 배웠는가?

• 에너지 전환
• 과학자들이 물체가 무엇으로 만들어졌는지 조사하기 위해서 충돌을 사용한다는 것.

커리큘럼

추가 정보

추가 자료로 다음의 비디오를 참고할 것 :

• 운동 에너지와 위치 에너지 이야기: https://www.youtube.com/watch?v=7K4V0NvUxRg
• 원자를 파괴하는 입자 가속기는 어떻게 작동할까?: https://www.youtube.com/watch?v=G6mmIzRz_f8
• LHC에 대해서 간단히 알아보기: https://www.youtube.com/watch?v=BEnaEMMAO_s

결론

이 활동의 주된 주제는 입자들을 분해하여 성분을 연구하는 것이다. 간단한 장치(“입자 가속기”)를 이용하여 학생들은 다양한 높이에서의 구슬 간의 충돌을 연구한다. 위치, 운동, 결합 에너지와 에너지의 다른 형태로의 변환 가능성과 같은 중요한 주제를 소개할 수 있는 좋은 시간이다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.