Also Available in:

방사성의 10억 배 가속이 실험실에서 증명되었다

저자:
번역자: 한국창조과학회 (creation.or.kr)

beta_decay
(a) 첫 번째 전자 궤도를 보여주는 원자. 궤도는 전자로 채워져 있다. (b) 완전히 이온화 된 상태에서의 같은 원자. 그 원자는 그들의 전자를 모두 잃어버렸다. 전자 껍질(electron shell)이 채워진 상태(a)에서 전자가 핵을 탈출하는 데에 필요한 에너지는 전자 껍질의 빈자리로(b) 점프하는 데에 필요한 에너지보다 훨씬 더 크다. r*는 한 전자를 발견한 가능성이 가장 큰 핵으로부터의 거리이다. 첫 번째 궤도(1s orbital)의 경우 r*=a0/Z 이고, 여기서 a0 = Bohr 반경 @ 52.9 pm, Z=원자번호 이다.

창조론-대홍수론 패러다임의 입장에서, 표면상으로 오래된 연대를 보이는 방사성 시계(radioactive ‘clocks’)들을 이해하기 위해서는 지질학적, 물리학적 요인(geologic and physical factors)들을 반드시 고려해야만할 필요가 있다. 물리학적 요인들 중에 붕괴율(decay-rate)의 변화를 고려해야만 한다. 그리고 이것들은 우주의 수천 년 역사에서 같은 시기 또는 다른 시기에 발생한 다양한 복합적인 과정들을 포함할 수 있다. 지금까지 창조론자들의 연구는 붕괴율에 있어서 작은 변화의 증거들과 더 큰 변화 가능성에 대한 이론적 분석들만을 요약하여 왔었다 (더 큰 방사능 붕괴율의 변화는 근본적인 물리학적 상수들의 상응하는 변화에 의존한다1). 이 글에서 나는 무려 수십억 배의 놀라운 크기로 방사능 붕괴율의 가속(radioactive decay-rate acceleration)을 보이는 실험 결과를 보고하고자 한다. 이것은 특별한 상황들을 필요로 하긴 하지만, 어떠한 알려진 물리적 상수들의 변경도 수반하지 않았다.

이 가속은 베타(negatron, 음전자) 붕괴의 조건에서 발생할 수 있다. β 붕괴 동안에 하나의 중성자(neutron)는 양성자(proton), 전자(electron), 전자-반중성미자(electron-antineutrino)로 변화된다. 그리고 그 전자는 하나의 음전하 베타 입자(a negative beta particle)로서 튀어 나온다 (β : 종종 음부호 없이 표기하지만, 때로는 드물게 발생하는 양전하 베타 β+ 와 구별하기 위해 이렇게 표기한다). 원자핵의 양성자들과 β 입자들은 반대의 전하를 가지고 있어서 서로를 끌어당기고 있기 때문에, β 입자가 이 인력을 극복하고 핵을 탈출하기 위해서는 충분한 운동에너지를 가져야 한다. 이것은 우물의 벽(walls of a well)을 돌파하기 위해 충분한 에너지를 가져야하는 입자에 비유되기도 한다.2 어떤 β 방사체(emitters)에서, 연속체 안으로 β 입자의 성공적인 탈출은 극히 드물게 발생하기 때문에, 핵종의 추정 반감기(half life, t½) 는 길어지게 되는 것이다.

가속화된β 붕괴

앞서의 논의는 전자들이 핵을 둘러싼 상태를 가정하고 있는데, 이는 거의 항상 사실이다. 그러나 지난 50년 이상, 일부 이론가들은 전자들을 잃어버린 원자핵에서는 (플라스마 상태(plasma state)에서 발생하는 것처럼) 음전자의 붕괴가 바뀔 수 있다는 것을 제안해 왔었다. 아마도 전자가 없는 무전자 핵(bare nucleus)을 탈출하려고 하는 β 입자는 전자들이 없다면 훨씬 낮은 수준의 운동 에너지 한계를 극복하면 될 것이다. 그리고 탈출하는 β 입자는 연속체 속으로 탈출하기 보다는 핵 주위 궤도의 비어 있는 전자 자리(vacant electron orbital)를 피난처로 차지할 수도 있을 것이다. 이 과정은 결속상태 β 붕괴(bound-state β decay, or βb decay) 라고 불린다. 그 후의 이론적 해석들에3 의하면, 결속상태 β 붕괴에 의해서 25 종류의 원소들의 핵종에서 방사능 붕괴률의 상당한 변동이 발생할 수 있었다고 제안되었다.

그러나 βb 붕괴가 실제로 존재하는지의 실험적 증명은 1990년 대까지 이루어지지 않았었다. 정상적인 지구 조건 하에서는 안정적이던 163Dy 핵종이, 완전히 이온화된 상태의 전자가 없는 핵 조건 하에서는 163Ho로 붕괴하는 것이(반감기 47일로) 밝혀졌다.4 더 최근에는 레늄-오스뮴 (187Re-187Os) 계에서 βb 붕괴가 발생하는 것이 실험적으로 증명되었다 (Re-Os 방법은 동일과정설 지질학자들이 암석의 연대측정에 사용하는 방사선 동위원소 시계 중의 하나이다5). 이 실험에서는 저장 링(storage ring)에 완전히 이온화된 187Re를 순환시켜 수행하였다. 187Re 이온은 단지 몇 시간 동안에 측정가능한 양으로 붕괴되어, 단지33 년의반감기를나타내게됨을발견하였다.6 이는 종래의반감기420억년에비해무려10억배의붕괴률증가를 나타낸 것이었다.

창조주간의시나리오

이제, 창조 주간의 처음에 있었음직한 상황을 그려 보자. 하나님께서 우주의 구성 물체 전부를 형성할 원자를 만드실 때에, 완전히 이온화 된 상태로 (즉 원자핵만을) 창조하셨다. 이 플라스마(plasma)는 첫날의 수 시간 동안 존재했다. 그리고 그 시간 동안 모든 원자들은 전자가 없는 핵 상황 하에서 βb 붕괴가 자유롭게 발생했다. 그런데 이 과정만으로는 수십억 년에 해당하는 잉여 187Os 를 생성하기에는 불충분할 수 있다.7 그러나 험프리(Humphreys)가 제안했던 것처럼8, 현재존재하는핵력(nuclear force)이동시에약해진다면, Re-Os 시계는(즉, 붕괴률은) 또다시수백내지수천배가속될수있을것이다. Re-Os 시계 뿐만 아니라, 아마도 많은 다른 방사성 핵종들도 (안정적인 핵종을 포함하여) 플라스마 상태의 무전자 핵 조건 하에서 상당한 βb 붕괴를 경험했을 것이다. 우리는 잠재적 혹은 실질적 βb 붕괴가 방사능 붕괴를 극도로 가속화되도록 도와준다고 생각한다. 따라서 원래 가정했던(이온화되지 않은 원자에 작용하는 것으로 가정되었던) 핵력의 약화보다7 훨씬 적은 수준에서 불과 몇 시간 동안에도 수십억 년에 해당하는 붕괴 생성물(자원소)들을 생성할 수 있다.

표면상 장구한 연대를 나타내는 방사성동위원소 시계들에서 방사능 붕괴률의 대대적인 가속화는 βb 붕괴만의 메커니즘이 아닌 것으로 나타났다. 비교적 새롭게 알려지고 있는, 동일과정설 지질학자들이 암석 연대측정에 자주 사용하지 않는 루테티움-하프늄(176Lu-176Hf)을 살펴보자.9

매우 높은 온도(very high temperatures)에서, 176Lu 의 일부는 종래의 느린 경로를 거쳐서 176Hf 로 붕괴되어진다. 그런데 이것은 단지 반감기 3.68 시간 밖에 되지 않는 하나의 이성체 상태(an isomeric state)가 된다는 것이다.10 바꾸어 말하면, 176Lu 붕괴의 일부는 다른 경로를 통해 176Hf 로 붕괴되는데, 이는사실상종래의176Lu 붕괴(반감기410억년) 보다1014배나빠른것이다.

더군다나 이 특별한 경우에는, 핵력에 있어서의 어떤 변화도 필요하지 않는다. 극도의높은온도만으로족하며, 온도가높을수록176Lu 에서176Hf 로의반감기가짧아진다. 구체적인 예를 들어보면, 대략 2억도(200 million K) 이하의 온도에서는 반감기가 41억년 정도로 유지된다. 그러나 2억도에서 3억도 사이에서는 반감기가 수직으로 떨어지고 (거의 100억분의 1로), 그 이상의 온도에서는 점차 변화가 적어져서 수평선에 접근한다. 그 결과 6억도에서실질적인176Lu의반감기는대략8일밖에되지않는다!11 이 반감기는 충분히 짧아서, 앞서 논의한대로 최초의 원자들 모두가 고온상태(아주 높은 운동에너지)로 창조되어 그 상태를 창조 첫날에 여러 시간 동안 유지했다면, 그 짧은 기간에 현재 관측되는 모든 잉여 176Hf 들이 생성될 수 있었을 것이라는 것이다.

이와 같은 가속화된 방사능 붕괴로 인해 빠르게 축적된 자원소들은 농도의 차이는 있지만 창조된 우주의 모든 물질들의 일부분이 되었다. 창조 주간의 나머지 기간 동안 하나님께서 플라스마를 식혀서 행성과 같은 딱딱한 천체를 구성함에 따라, 잉여 방사성 자원소들도 빠른 지화학적 과정들을 거쳐 다른 광물들의 일부가 되었다. 현대의 동일과정설 지질학자들은 이 방사성 자원소들의 존재를 수십억 년의 연대로 잘못 해석하고 있는 것이다. 그렇게 오랜 시간은 결코 흐르지 않았다.

결론

방사성 동위원소 시계(isotopic ‘clocks’)들이 최소 10억 배는 가속될 수 있다는 이 놀라운 증명은 창조과학자들에게는 좋은 소식일 것이다. 이것은 방사성 동위원소 시계들의 시간적 안정성에 대한 근본적인 의문을 제기하고 있는 것이다. 그밖에 방사성 붕괴에서 물리학이 고려하지 못한 것은 무엇이 있을까? 방사능 붕괴는 사실상 외부의 힘에 절대로 영향을 받지 않는다는 신화는 결정적으로 산산이 부서졌다. 그리고 이제 더 많은 연구를 위한 문이 활짝 열렸다.

참고 문헌및 메모

  1. Chaffin, E.F., theoretical mechanism of accelerated radioactive decay; in: Vardiman, L. et al., Radioisotopes and the Age of the Earth, Institute for Creation Research, El Cajon, California and Creation Research Society, Missouri, 305–331, 2000. See also Radioactive decay rate depends on chemical environment텍스트로돌아 가기.
  2. Alpha (α) decay has also been likened to particles bouncing around inside a well (a potential energy well created by a combination of nucleus’s positive charge and the ‘strong’ nuclear force) until some of them acquire sufficient kinetic energy to jump through one of its walls: Humphreys, D.R. Accelerated nuclear decay: A viable hypothesis? in: Vardiman et al., Ref. 1, pp. 333–379. This is the standard Gamow theory, and is often referred to as quantum mechanical tunnelling. In α-decay, the electrons are largely irrelevant. Humphreys suggests, based on an application of the standard theory, that a small diminishing of the nuclear potential, however, has allowed α-decay to be accelerated a billion-fold or more. 텍스트로돌아 가기.
  3. Takahashi, K. et al., Bound-state beta decay of highly ionized atoms, Physical Review C36(4)1522–1527, 1987. 텍스트로돌아 가기.
  4. Jung, M. et al., First observation of bound-state β decay, Physical Review Letters 69(15)2164–2167, 1992. 텍스트로돌아 가기.
  5. Woodmorappe, J., The Mythology of Modern Dating Methods, Institute for Creation Research, El Cajon, California, 1999. See pages 25, 49, 67–68 for the many fallacies of the Re-Os dating method. 텍스트로돌아 가기.
  6. Bosch, F. et al., Observation of bound-state β decay of fully ionized 187Re, Physical Review Letters  77(26)5190–5193, 1996. For further discussion of this experiment, see: Kienle, P., Beta-decay experiments and astrophysical implications, in: Prantzos, N. and Harissopulus, S., Proceedings, Nuclei in the Cosmos, pp. 181–186, 1999. 텍스트로돌아 가기.
  7. Note that bound-state βb decay accelerates the Re-Os ‘clock’ by 9 orders of magnitude. However, in order to compress 4.5 Ga worth of ‘normal’ radioactive decay into the several hours of the First Day of Creation Week, the Re-Os ‘clock’ would need to be accelerated by another 5 orders of magnitude.
    There has been some concern expressed that radioactive decay would be inconsistent with God creating the universe ‘very good’. There is always the danger of reading too much into the ‘very good’ statement, and the context indicates that ‘very good’ refers to the absence of suffering and death for man and other sentient creatures before the Fall. Radioactive decay does not, of course, have anything in comon with the death and decay of sentient beings. Moreover, radioactive decay involves the transformation of one nuclide into another, and does not have any connotation of imperfection in the Creation. 텍스트로돌아 가기.
  8. Humphreys, ref. 2, p. 362. 텍스트로돌아 가기.
  9. For a discussion of some of the flaws already evident in the new Lu-Hf dating method, see Woodmorappe, ref. 5, p. 68. 텍스트로돌아 가기.
  10. Kappeler, F., Beer, H., and K., Wisshak, S-process nucleosynthesis—nuclear physics and the classical model, Reports on Progress in Physics 52:1006–1008, 1989. 텍스트로돌아 가기.
  11. Klay, N. et al., Nuclear structure of 176Lu and its astrophysical consequences, Physical Review C44(6):2847–2848, 1991. 텍스트로돌아 가기.