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양성자
양성자(陽性子, proton)는 +1e의 전하를 가지는, 원자의 구성 입자이다. 양성자는 중성자와 함께 원자핵을 이루며, 이 둘을 핵자라고도 부른다. 모든 원자의 핵에는 하나 이상의 양성자가 포함되어 있고 이 양성자의 개수가 원소의 성질을 결정하는데, 각 원소가 각자 다른 수의 양성자를 가지기 때문에 양성자의 개수를 원소의 고유한 원자 번호로 사용한다. 양성자의 영문 표기인 proton은 그리스어로 '첫 번째'를 뜻하며, 이 명칭은 1920년에 어니스트 러더퍼드에 의해 수소 원자핵의 명칭으로써 부여되었다. 러더퍼드는 수소 원자핵 (가장 가벼운 원자핵)을 질소 원자핵의 충돌을 통해 얻을 수 있다는 사실을 1919년에 발견했고, 이에 따라 양성자가 질소를 비롯한 모든 무거운 원자핵을 구성하는 기본 입자의 후보라 여겼다.
소립자 물리학의 현대 표준 모형에서 양성자는 강입자의 일종이며, 또 다른 핵자인 중성자와 같이 세 개의 쿼크(2개의 위 쿼크와 1개의 아래 쿼크)로 이루어져 있다. 쿼크를 제외한 부분의 질량은 양성자의 질량의 1%정도에 불과하다. 양성자 질량의 남는 부분은 쿼크의 역학적 에너지와 쿼크를 모아주는 글루온에 의한 강한 상호작용의 에너지에 의한 것이다. 양성자는 기본입자가 아니기 때문에 물리적인 크기를 갖는다. 양성자의 반지름은 약 0.84 fm이다.
충분히 낮은 온도에서 자유 양성자는 전자와 결합한다. 하지만 그렇게 묶인 양성자의 성질이 변하지는 않는다. 물질 사이를 빠르게 움직이는 양성자는 전자나 원자핵과의 상호작용으로 인해 원자의 전자구름에 붙잡힐 때까지 속도가 느려진다. 그 결과로 생성되는 것이 수소 화합물의 일종인 양자화 된 원자이다. 진공 상태에서 자유전자가 존재한다면 충분히 느린 양성자가 각각의 자유전자를 집어가 화학적으로 유리기상태인 중성 수소 원자가 된다. 이러한 "자유 수소 원자"들은 충분히 낮은 에너지를 갖는 다른 원자와 화학반응을 일으키는 경향이 있다. 두 자유 수소 원자가 서로 반응하면 그것들은 성간 공간의 분자 구름에 가장 흔한 분자인 중성 수소 분자(H₂)가 된다. 지구상에 존재하는 이 분자는 대형 강입자 충돌기를 활용한 실험과 같은 강입자 물리 실험 등에서 가속을 위해 쓰이는 양성자의 좋은 공급원으로 쓰인다.
양성자의 발견[편집]
양성자는 수소원자의 핵이기 때문에 우주의 초기부터 존재하고 있었고, 산성 용액에서 신맛을 내게 하며 생명체의 에너지 대사과정에서도 중요한 역할을 하는 것이 수소이온이므로 우리는 이미 일상생활에서 양성자를 경험하고 있는 셈이다. 하지만 다른 핵에도 양성자가 들어 있다는 사실은 러더퍼드가 처음으로 발견하였다. 그는 1917에 순수하게 질소 가스만 있던 공간에 알파선을 쪼여보는 실험을 하였는데 처음에는 없었던 수소 원자가 만들어져서 튀어나온다는 것을 알게 되었다. 이 때 질소 원자핵이 산소 원자핵으로 변환된 것이기 때문에 이 실험은 원소를 인공적으로 다른 원소로 변환한 실험으로도 역사적으로 의미가 있다. 이 변환을 핵변환식으로 나타내면 다음과 같다.
러더퍼드는 이 때 튀어나온 수소원자의 핵은 실험에 사용한 질소나 헬륨의 원자핵 속에 들어 있었던 것이 분리되어 나왔다는 결론을 내리고, 모든 핵이 보다 작은 기본 입자로 이루어져 있고 그 기본 단위가 수소 원자의 핵일 것이라고 제안하며 이것을 proton이라고 명명하였다. 1800년 초반에 화학자 프라우트(W. Prout, 1785-1850)이 그 당시 발견된 원소들의 원자량이 수소 원소의 원자량의 정수배라는 것에 착안하여 수소 원소가 다른 모든 원소의 기본 단위일 것이라는 제안을 하며 그 기본 원소를 프로타일(protyle)이라고 한 적이 있는데 러더퍼드는 이것을 잘 알고 있었고 심지어는 프라우트의 이름을 따라 prouton이라고 부르려고 했다고 한다.
양성자의 성질[편집]
- 전하 (1.602 × 10⁻¹⁹ C): 전자의 전하와 크기가 같고, 부호는 다르다 (기본 전하). 벤저민 프랭클린 이래 관습적으로 양성자의 전하를 양전하로 정한다.
- 질량 938.3 MeV/c² (1.6726×10⁻²⁷kg). 이는 전자 질량의 1836배이다.
- 현재까지의 실험 결과에 따르면, 안정하거나 반감기가 매우 길다. 이는 양성자가 중입자 중 가장 가볍기 때문이다. 이에 반해 조금 더 무거운 중성자는 (자유 상태에서) 불안정하고, 양성자로 붕괴한다. 실험 결과에 따르면, 양성자의 반감기의 하한은 1035년이다. 대부분의 대통일 이론은 양성자의 붕괴를 예측하지만, 그래도 양성자의 반감기는 매우 길다.
- 입자로서 중입자로 분류한다. 즉, 세 개의 쿼크로 이루어졌다.
화학[편집]
원자의 주기율표는 화학적으로 동일한 성질의 원자들을 묶은 것이다. 주기율표의 성질은 양성자와 중성자의 개수에 의해 결정된다. 질적인 성질을 양적인 성질로 바꾼 것이라 할 수 있다.
물리학[편집]
쿼크의 발견으로, 양성자가 기본 입자가 아니라 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크가 강한 상호작용으로 묶인, 복합 입자임이 밝혀졌다. 하이젠베르크에 의해 제안된 아이소스핀 1/2을 가지며, 같은 핵자인 중성자와 쌍을 이룬다.
베타붕과[편집]
하나의 입자계로부터 다른 입자계로의 변환이 자연스럽게 일어나거나 또는 인위적으로 일어날 때 계에 들어 있는 중입자(Baryon)의 수는 변하지 말아야 한다. 이것을 중입자수 보존법칙이라고 하는데 지금까지 행해진 모든 실험에서 이 법칙이 성립한다는 것이 확인되었고 표준모형(standard model)에서는 이것을 정설로 받아들이고 있다. 그런데 양성자는 모든 중입자 중에서 가장 가벼운 입자이기 때문에 하나의 입자로 따로 떨어져 있을 때에는 다른 입자로 변환이 되지 못한다.
그런데 핵에서는 양성자가 중성자로 변환될 수 있다. 양성자나 중성자는 페르미온이기 때문에 같은 에너지준위에 있을 수 없으므로 그 수가 많아지면 점점 더 높은 에너지를 가지는 준위를 채워야만 한다. 따라서 양성자수가 중성자수보다 많은 어떤 동위원소에서는 양성자가 중성자보다 더 높은 에너지준위에 놓일 수 있게 되고, 이 경우 양성자가 중성자로 변환되는 것이 에너지 면에서 가능하게 된다.
양성자가 중성자로 변환될 때에는 양전자(positron)와 중성미자가 중성자와 함께 나온다.
P → n + e⁺ + νₔ 이것을 β⁺붕괴라고 하고 결과적으로 원래 원소의 핵은 원자번호가 하나 내려간 원소의 핵으로 변환된다. 이때 변환된 핵의 질량이 변환되기 전에 비해 1.022 MeV보다 작아야 하는데, 이 값은 양전자와 뉴트리노를 만들고 운동에너지를 주는 데 필요한 에너지이다. 이 반응에서 만들어진 양전자는 곧바로 주위 물질에 들어있는 전자와 결합하여 두 개의 광자로 변한다. 이것을 이용하여 우리 몸의 이상을 진단하는 장치가 PET(positron emission tomography)장치이다. PET에서 사용하는 동위원소는 F-18로
와 같이 O-18 동위원소로 변환되며 양전자를 방출한다.
양성자의 수가 중성자의 수보다 많지만 질량 차이가 1.022 MeV보다 작은 핵도 자신이 가지고 있던 전자를 흡수하며 다른 원소로 변환된다. 이 경우 핵 안에서 일어나는 반응은
P + e ⁻ → n + νₔ
이며 그 결과
와 같은 핵변환이 일어난다.
양성자의 붕괴[편집]
통일장이론에 따르면 양성자가
P → e⁺ + π⁰
와 같이 중입자가 아닌 다른 입자로 붕괴하는 것이 가능하다. 현재 과학자들은 다양한 이론으로 양성자의 붕괴에 대한 가능성을 논의하고 있으며 실험을 통해 이를 확인하려 하고 있다. 지금까지의 실험 결과는 이러한 붕괴로 인해 양성자가 반으로 줄어드는 데 걸리는 시간인 반감기가 약 10³⁶ 년인 것으로 분석을 하고 있다. 사실 이 시간은 빅뱅 이후 우주의 나이인 약 10¹¹년에 비해서도 무척 큰 값이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
