우라늄 핵분열, 맨하탄 프로젝트

제2차 세계 대전 이후 몇 년 동안 물리학 연구는 크게 확장되었습니다. 맨하탄 프로젝트와 레이더 개발은 미국과 다른 나라의 정부들에게 처음에는 모호한 물리학 연구로 보일 수 있는 것이 중요하고 예측할 수 없는 의미를 가질 수 있음을 확신시켰습니다. 결국, 우라늄 핵분열에 대한 연구는 1930년대에 과학적 호기심으로 보였고 이것이 세계에 어떤 영향을 미쳤는지 보십시오! 게다가 산업과 국방 분야에서 핵분열에 대해 고도로 훈련된 과학자에 대한 수요가 증가했고, 이는 대학 물리학과와 정부 및 산업 연구 실험실의 확장을 촉진했습니다. 저온 연구는 이러한 확장으로 이익을 얻었으며 가장 시급하고 흥미로운 과제 중 하나는 초전도성을 이해하고 설명하는 탐구였습니다.

이론 물리학자들

이론 물리학자들은 초전도성에 대한 완전한 설명을 향한 발걸음을 내디뎠지만, 런던 형제가 그 길을 따라 이룬 진전에도 불구하고 지금까지는 파악하기 어려웠습니다. 이 문제에 대해 연구한 한 이론가는 결정 격자의 진동 효과를 포함하여 현상을 이해할 수 있는지 확인하려고 노력한 Herbert Frohlich였습니다. 결정질 고체에서 원자는 결정 격자로 알려진 규칙적이고 주기적인 배열로 위치합니다. 원자는 절대 영도에서만 완벽하게 가만히 앉아 있지만, 일반적으로 원자는 가만히 있으라는 지시를 받은 활동적인 아이들처럼 이리저리 흔들리고 진동합니다.

결정질 고체를 데우면 흔들림과 진동의 진폭이 증가합니다. 진동 주파수는 원자 질량의 제곱근에 반비례 하며 스프링에 매달려 있는 질량의 진동을 결정하는 것과 정확히 동일한 관계입니다(질량을 4배로 하면 진동 주파수가 절반이 됨). 진동의 주파수는 진동 에너지의 양자 에너지를 제어하며, 원자의 진동이 어떤 식으로든 초전도와 관련되어 있다면 초전도체의 전이 온도는 원자의 질량에 따라 달라질 것으로 예상할 수 있습니다.

동위 원소

이 가정을 실험적으로 테스트할 수 있는 방법이 있습니다. 원자는 양전하를 띤 양성자와 하전되지 않은 중성자를 포함하고 음전하를 띤 전자 구름으로 둘러싸인 매우 거대한 핵으로 구성되어 있음을 상기하십시오. 양성자의 수는 전체적으로 하전되지 않은 원자의 전자 수와 균형을 이루어야 합니다. 그러나 전자는 양성자나 중성자보다 거의 2,000배 가볍기 때문에 원자 질량의 대부분은 핵에 있습니다.

원자의 화학적 성질(어떤 원소인지)은 양성자의 수에 의해 결정됩니다. 특정 원소는 화학적으로 동일하지만 질량이 다른 다른 동위 원소에서 발생합니다. 핵분열은 원자핵이 더 많거나 더 적은 수의 중성자를 수용할 수 있기 때문에 발생합니다. 중성자는 핵의 전하에 영향을 미치지 않지만 핵의 질량에 추가됩니다. 예를 들어 일반적인 주석 샘플은 평균 질량이 118.7 원자 질량 단위(동위원소 혼합물 포함)인 원자를 포함하지만 샘플은 질량이 113.6 또는 최대 123.8인 원자로 준비할 수 있습니다.

초전도체의 동위원소

이러한 사실을 깨닫고 수행해야 할 명백한 실험이 있습니다. 주석과 같은 초전도체의 동위원소적으로 순수한 샘플을 준비한 다음 각 샘플의 전이 온도를 매우 정확하게 측정하고 사용했던 동위원소에 따라 달라지는지 확인해야 합니다. 이 실험은 National Bureau of Standards의 Emanuel Maxwell과 뉴저지 Rutgers University의 Bernard Serin과 동료들이 처음 수행했으며 결과는 분명했습니다. 전이 온도는 원자 질량의 제곱근에 반비례하는 것으로 밝혀졌습니다. 전쟁 전의 모든 이론은 초전도체의 전자에 초점을 맞추었습니다. ‘동위원소 효과’는 원자 질량의 대부분을 차지하는 핵의 존재를 무시해서는 안 된다는 것을 보여주는 증거였다.