핵자

핵자(nucleon)는 원자핵을 구성하는 기본 입자로, 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 여기에 속한다. 핵자 중에서 전기적으로 양전하를 가진 입자가 양성자이며, 전기적으로 중성인 입자가 중성자이다.

개요

양성자와 중성자는 둘 다 스핀이 1/2인 페르미온이고 강한상호작용(strong interaction)을 하는 강입자이며 질량도 거의 비슷하며 전체 질량의 약 0.1% 정도의 차이를 보인다. 특히 핵력(nuclear force) 중 핵자들을 강하게 결합하여 핵을 만들도록 하는 강한상호작용은 양성자와 중성자를 거의 구분하지 않는다. 즉, 양성자와 양성자, 중성자와 중성자, 양성자와 중성자 사이에 작용하는 핵력은 질량 등에서 오는 매우 작은 차이를 빼고는 같다. 이것은 마치 전자가 받는 전기력은 전자의 스핀에 따라 다르지 않지만 자기장 안에서 스핀이 자기장 방향으로 +1/2(+h 단위로)인 전자와 -1/2인 두 전자는 다른 입자처럼 행동하는 것과 같은 현상이다. 만일 우리가 살고 있는 공간이 매우 강한 자기장이 걸린 곳이었다면 과학자들이 질량이 약간 다른 두 종류의 전자를 발견하여 서로 다른 이름을 붙였을 지도 모른다. 이러한 유사성으로부터 과학자들은 아이소스핀(isospin)이라는 새로운 물리량을 도입하여 양성자와 중성자를 아이소스핀이 1/2인 핵자의 +1/2과 -1/2인 상태로 취급한다.

1960년대 이전까지 핵자는 핵을 이루는 기본입자로 취급되었다. 핵력은 아이소스핀이 1/2인 두 종류의 핵자, 즉 양성자와 중성자가 아이소스핀 1인 세 종류의 중간자, 즉 π⁺, π⁰, π⁻를 매개입자로 상호작용하는 힘으로 기술하였다. 그런데 전하를 가지지 않은 중성자가 자기모멘트를 가지는 것도 그렇고 양성자의 자기모멘트가 핵마그네톤의 정수배가 되지 않는다는 것이 중요한 문제였다. 이로부터 전자와는 달리 양성자와 중성자가 어떤 구조를 가지고 있을 것이라는 생각을 하게 되었다. 1960년대에 와서 쿼크(quark)가 보다 기본적인 입자로 제안되었고, 현재는 핵자를 쿼크들이 글루온을 매개로 하는 강한상호작용으로 결합되어 있으며 이로 인하여 구조를 가지는 입자로 취급한다. 하지만 핵 안에서 각각의 핵자들은 독립적인 개체로 행동하며 핵자 안에 들어 있는 쿼크들이 다른 핵자로 이동하는 일은 일어나지 않는다.

쿼크모형(quark model)에서 양성자는 위쿼크(u quark) 2개와 아래 쿼크(d quark) 1개로, 중성자는 위쿼크 1개와 아래 쿼크 2개로 이루어진 것으로 기술한다. 실제 핵자의 구조는 이보다 훨씬 복잡하며 아직도 많은 것들이 정확하게 밝혀지지 않았다.

참고자료

• 〈핵자〉, 《물리학백과》
• 〈핵자〉, 《위키백과》

같이 보기

• 원자핵
• 양성자
• 중성자

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