핵(Nucleus)은 원자핵의 약칭으로 양성자와 중성자로서 구성되어 있는 복합 입자이다. 원자의 중심에 있으며, 그 크기는 반경이 10-12~102-13cm 정도로 매우 작다. 보통 원자핵의 기호는 핵종의 기호로 표시된다.
개요
핵은 원자(atom)의 거의 모든 질량을 가지고 있으며 양의 전하를 띠고 있는 중심 부분을 말하며, 세포의 핵과 구별하기 위해 원자핵이라고도 한다. 핵의 크기는 수 펨토미터(1 fm = 10-15 m)로 매우 작으며 원자의 크기에 비해서도 수만분의 일밖에 되지 않는다.
핵은 유한한 수의 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 강한 핵력(nuclear force)으로 결합되어 있는 복잡한 구조를 가진 입자계이다. 양성자는 수소원자의 핵으로 일정한 크기의 질량과 양의 기본전하량(elementary electric charge) 를 가지고 있다. 중성자는 양성자보다 0.1% 정도 더 무겁고 전하를 띠지 않은 입자이다. 이 두 입자를 핵을 구성하는 입자라는 뜻으로 핵자(nucleon)라고 한다. 어떤 원자의 핵에 들어 있는 양성자의 수가 원자번호(atomic number)이며 같은 수의 전자(electron)와 핵이 서로 전기적인 인력으로 구속되어 원자를 이루고 이러한 점이 해당 원소(element)에 고유한 화학적 성질을 부여한다. 양성자의 수와 중성자의 수를 더한 값을 질량수(mass number)라고 하며 핵의 질량에 대한 정보를 준다. 핵의 질량은 그 안에 들어 있는 양성자와 중성자의 질량을 모두 더한 것보다 최대로 약 1% 정도 작은데 핵력에 의한 결합에너지(binding energy) 때문이다.
양성자와 중성자는 각각 분리될 수 있는 입자이므로 서로 다른 두 핵이 소수의 양성자와 중성자를 교환하여 새로운 핵이 되는 핵반응(nuclear reaction)이 일어나거나, 무거운 핵이 가벼운 원자핵으로 쪼개지는 핵분열(nuclear fission) 또는 가벼운 핵이 무거운 핵으로 뭉쳐지는 핵융합(nuclear fusion)이 일어날 수 있다. 이런 과정에 수반되는 에너지는 핵력에 의한 것으로 동일한 질량의 원자나 분자가 만들어낼 수 있는 화학적 에너지에 비해 수백만배의 크기를 가진다.
핵 안에 들어 있던 양성자 2개와 중성자 2개가 함께 묶여 헬륨 원자핵의 형태로 방출되는 것이 알파선(alpha ray)이며 원자번호가 2만큼, 질량수가 4만큼 줄어든 핵이 되는데 이것이 알파붕괴(alpha decay)이다. 양성자가 중성자가 되거나 중성자가 양성자가 되는 것도 가능한데 이때 전자 또는 양전자가 방출되거나 전자가 흡수된다. 이 과정에서 중성미자(neutrino) 또는 반중성미자(antineutrino)도 방출되는데 일반적인 방법으로는 감지되지 않는다. 중성자가 양성자로 변환되는 과정에서 나오는 전자가 베타선(beta ray)의 본질이고 이것을 베타붕괴(beta decay)라고 한다. 어떤 원소의 핵에서 이러한 일이 일어나면 질량은 거의 변하지 않지만 원자번호가 하나 증가한 원소가 된다. 핵은 핵자들 각각의 상태 또는 집단적인 전체 상태에 따라 여러 에너지준위가 가능하며 높은 에너지 상태에 있던 핵이 낮은 에너지 상태로 전이할 때 그 에너지 차이만큼의 에너지를 가지는 광자(photon)가 방출된다. 이것이 감마선(gamma ray)이다.
핵의 발견
참고자료
같이 보기
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