입자

입자는 종종 점으로 표시된다. 이 그림은 기체 속 원자, 군중, 밤하늘의 별의 이동을 표현한 것이다.

입자(粒子, particle, corpuscule)는 물리적 성질과 화학적 성질을 가진 작은 물체이다. 원자보다 작은 아원자 입자, 원자가 몇 개 단위로 구성된 미시적 크기의 미립자, 거시적 크기의 밀가루와 같은 입자 등으로 나뉜다.

개요

일상적 용어로 입자란 아주 작고 거의 눈에 보이지 않을 정도의 작은 물체를 의미한다. 그러나 물리학에서의 입자는 공간상 한 점에 위치하도록 이상적으로 모형화된 실체이다.

물리학에서 이러한 이상적인 입자모형을 쓰는 이유는 문제를 단순화 하려는 것이다. 왜냐하면 입자 모형에서는 연구대상의 크기, 모형 및 내부구조를 고려할 필요가 없도록 유용하게 단순화할 수 있기 때문이다. 예를 들면 핵은 아무리 작다고 해도 크기를 가지고 있는데 핵 주위를 도는 전자의 궤도운동을 연구하는 경우 핵을 하나의 입자로 생각한다. 우리가 생각하기에 핵보다 훨씬 큰 지구도 태양 주위를 돌 때 하나의 입자로 간주한다. 즉, 지구나 태양의 질량이 한 질점에 모여 있는 것 같이 생각한다. 그러나 폭풍, 지진 또는 조류를 연구하는 경우에는 지구의 내부구조와 회전운동이 중요하기 때문에 지구를 입자로 취급할 수 없다. 다음은 입자물리에서 밝혀진 소립자에 대해 개괄적인 설명이다.

물질은 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있고 이들을 소립자라 부른다. 다시 소립자는 경입자(lepton)와 강입자(hadron)로 분류한다. 경입자는 내부구조도 없고, 공간에서 크기도 가지지 않는 3쌍의 진정한 기본입자처럼 보인다.(여기서 "~처럼 보인다"고 한 것은 인간이 여기까지만 발견했기 때문이다. 만약 기본입자보다 더 작은 입자를 발견한다면 그것이 기본입자가 될 것이다.) 경입자에는 전자(electron), 뮤온(muon), 타우(tau)가 있고, 이들은 각각 반입자인 e-뉴트리노, 뮤-뉴트리노, 타우-뉴트리노들과 쌍을 이룬다. 이들은 모두 강한 상호작용에 영향을 받지 않으며, 모두 페르미온(fermion)이다. 페르미온이란 같은 상태에 두 가지 입자가 들어가지 못하는 입자를 말하고 보존(boson)과 반대이다. 보존(boson)은 같은 상태에 입자들이 얼마든지 존재할 수 있다. 예를 들면 빛 알갱이(photon)는 보손(boson)인데, 같은 상태에 얼마든지 존재할 수 있다.

강입자는 중입자와 중간자로 나눈다. 양성자나 중성자와 같이 3개의 쿼크들로 구성되어있는 강입자를 중입자(바리온：baryon)라 부르고 페르미온이다. 파이온과 같은 중간자(메존：meson)는 두 개의 쿼크로 이루어져 있고 보존(boson)이다. 강입자는 강한 상호작용을 하는 입자들로 크기가 무한히 작은 것이 아니라 공간을 차지하고 있다는 점에서 경입자와 구별된다.

페르미온과 보손

모든 입자는 스핀값에 따라 페르미온과 보손으로 나뉜다. 여기서 말하는 입자는 소립자를 포함한 모든 종류의 입자다. 즉, 원자나 분자도 페르미온과 보손으로 나뉜다. 단, 페르미온이나 보손이라는 특성은 통계적인 효과로 나타나기 때문에, 특정한 종류의 동일한 입자가 여러개 존재해서 상호작용해야 그 성질이 드러난다. 거대한 물체들은 서로 동일하지 않기 때문에 페르미온이나 보손이라는 특성을 확인하기가 거의 불가능하다. 물질은 페르미온으로 구성되며, 물질의 상호작용은 보손으로 매개된다.

• 페르미온: 스핀 수가 1/2, 3/2, 5/2... 식으로 증가하는 입자. 우주를 구성하는 것이며 상호 작용이 가능한 입자이다. 쿼크와 렙톤은 모두 페르미온이다. 페르미-디랙 통계를 따르는 입자. 파울리의 배타원리를 따르기 때문에 중첩되어 있을 수 없다. 즉, 같은 상태(state)에 존재할 수 없다. 또한, 보손과는 달리 그 수가 보존된다.

• 보손: 스핀 수가 정수인 입자. 페르미온과 다르다. 기본적인 상호작용을 매개하는 것들. 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 입자다. 파울리의 배타원리를 따르지 않기 때문에 중첩되어 있을 수 있다. 같은 에너지 상태에 존재할 수 있다는 뜻으로, 레이저를 생각해보면 편하다.

종류

기본입자의 종류

• 콜로이드
• 분자
• 원자
• 아원자 입자(亞原子粒子, Subatomic particle): 원자보다 작은 입자. 소립자라 불리기도 하지만 소립자(素粒子)는 '기본 입자'라는 의미이다. 따라서 원자보다 작은 입자를 통칭하는 명확한 표기는 '아원자 입자'이다.

• 기본 입자
• 합성 입자

• 강입자
• 원자핵: 원자를 구성하는 입자. 원자핵을 구성하는 입자를 핵자, 핵자를 연결시키는 힘을 핵력이라 부른다. 당연히 핵자는 양성자와 중성자를 싸잡아 부르는 용어고, 핵력은 강력의 일종이다.

참고자료

• 〈입자〉, 《위키백과》
• 〈입자〉, 《두산백과》
• 〈입자〉, 《나무위키》

같이 보기

• 콜로이드
• 분자
• 원자
• 반입자

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