| 원자 구성 입자 | ||
| 원자핵 | 전자 | |
| 핵자 | ||
| 양성자 | 중성자 | |
| 업 쿼크 + 다운 쿼크 | ||
| ※: 추정 2022년 8월 17일자 네이처지 참고 | ||
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1. 개요
原子核 / nucleus원자의 중심 부분. 핵자인 양성자와 중성자가 이루며, 핵자들의 사이에 작용하는 핵력에 의해 양성자와 중성자가 결합되어 원자핵을 형성한다.
영어 명칭인 nucleus는 라틴어로 견과류, 즉 씨앗을 뜻한다. 한자어로 옮긴 原子核 역시 核(씨 핵)이 들어가 있다.
2. 상세
보통 원자를 표현한 그림에서는 이걸 크게 그리는데 사실 엄청 작다. 수소 원자핵의 크기는 대략 반경 (0.8775±0.0005) fm(=(0.8775±0.0005) × 10-15 m)이다.[1][2] 원자 전체의 크기가 야구 경기장이라고 치면 원자핵의 크기는 구슬 정도. 대성당 가운데 내려앉은 파리 정도의 크기라고도 비유된다. 비율을 보자면, 가장 작은 수소 원자핵은 전체의 1/145,000, 묵직한 우라늄 원자핵은 1/23,000, 발견된 원소중 가장 무거운 오가네손 원자핵은 1/19,900의 크기를 갖는다.주기율표의 원자번호는 원자핵에 존재하는 양성자의 개수를 뜻한다. 즉 원자번호 1인 수소는 양성자가 하나, 원자번호 92인 우라늄은 92개의 양성자를 가지고 있다. 여기서 중성자를 빼놓으면 섭섭한데, 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르면 동위원소가 된다. 참고로 원자번호 0인 원소나 원자핵이 없는 원소도 존재한다.
양성자의 수에 따라 어떤 원소인지가 결정나므로, 즉 원자가 가지고 있는 양성자의 수를 바꿔버리면 원소를 다른 원소로 인위적으로 바꾸는 연금술도 가능하다고 할 수 있겠다. 엄청난 비용이 든다는 단점이 있지만. 이에 대해서는 핵융합과 핵분열을 참조.
이 핵자들이 기본입자라고 불릴 때도 있었으나, 이들은 사실 세 개의 쿼크로 이루어진 합성입자이다.[3] 양성자는 2업1다운, 중성자는 1업2다운 쿼크로 구성되어 있다. 이 쿼크는 단독으로 관측된 적은 없다. 강한 상호작용의 특성상 쿼크는 강입자 안에 항상 속박되어 있어야 하기 때문이다. 쿼크는 렙톤들과 함께 기본입자로 받아들여지고 있고, 쿼크가 내부 구조를 가지고 있다는 실험적 증거는 전무하다. 물론 관련된 이런저런 모델들이 제시되긴 했다. 프리온이라든가 렙토쿼크 (leptoquark) 같은 것들이 대표적이다. 하지만 이들 중 어떤 것도 현재 실험으로 검증된 것은 없다.
양성자와 중성자는 가장 가벼운 바리온들이며 그중에선 양성자가 더 가볍다. 그래서 어떤 다른 바리온이 생기고 이 바리온이 붕괴하면 항상 (반)양성자가 최종적으로 나오게 된다. 바리온 수는 (반입자를 마이너스 개로 셌을 때) 보존되어야 하기 때문.
핵자들이 가지는 전하는 쿼크의 전하들로 설명된다. 업쿼크는 +⅔e, 다운쿼크는 -⅓e 전하를 가지고 있고, 이에 따라 양성자는 +e 전하를 가지고 중성자는 전하를 가지지 않게 된다.
원자량 300 이상의 원소에서는 쿼크가 양성자와 중성자에 묶여있는 대신 자유롭게 섞여 있는 업-다운 쿼크 물질(udQM) 원자핵이 가능할 것이라는 이론도 있다. 양성자 또는 중성자들간의 결합이 아닌 쿼크간의 결합으로 이루어져 있으므로 방사성 붕괴에 대해 매우 높은 내성을 가질 것으로 예상된다.
[1] 크기를 측정하는 방법으로 가장 먼저 쓰인 것은 산란단면적을 구하면서 부수적으로 얻어진 결과를 이용하는 것이었다. 즉, 러더퍼드의 산란 실험에서 이미 원자핵의 크기가 측정되고 있었던 것이다. 그 후 고에너지 전자를 이용한 더 정밀한 산란 실험을 호프슈타더(Robert Hofstadter, 1915–1990)가 수행하여 다양한 원자핵들의 크기를 측정하였고 그 외 다양한 성질들을 측정하였다.[2] 원자핵이나 양성자가 무슨 공 같은 것도 아닌데 웬 크기가 있나 싶을 수도 있다. 사실 이때 말하는 크기는 전자기 상호작용으로 인하여 나타나는 산란 단면적을 이용한 정의이다. 소위 전하 반경(charge radius)이라고 불리는 값인데, 영어가 된다면 여기를 참고하자.[3] 중성자는 전하량이 0임에도 자기 모멘트를 갖고 있다. 이것은 중성자도 실제로는 전하를 가진 입자로 구성되어 있어야 함을 의미한다.