1.1.1 핵의 기본 입자 [원자력기사]

1.1.1    핵의 기본 입자

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원자는 그림 1-1과 같이 원자핵과 전자로 구성된다. 

원자핵은 (+)로 하전되어 있다. 그리고 전자는 (-)으로 하전 되어 있으며, 전자는 원자핵주위를 돌고 있다. 

그림 1-1에서는 원자핵은 파란색과 빨간색 두 가지로 표현되어 있는데 반해, 전자는 1개의 물질로 구성되어 있는 작은 구형(회색점)으로 표현되어 있다. 

그림 1-1 원자핵과 전자

 

원자핵의 빨간색은 양성자를 나타내고, 파란색은 중성자를 나타내고 있다. 

양성자(빨간색)은 (+)로 하전되어 있으나 중성자(파란색)은 극성을 띄지 않는 특징이 있다. 따라서 중성자는 실험을 통해 측정할 수 없어 원자핵 속에 중성자의 존재를 밝히는데 상당히 오랜 시간이 걸렸다. 

원자 내 원자핵과 전자의 (+)전하와 (-) 전하의 크기는 동일하여 원자는 중성을 유지한다. 

전기적으로 중성인 원자가 외부의 자극에 의하여 전하를 잃게 되면 이온으로 변하며, 원자가 모이게 되면 분자가 된다. 이를 요약하면 다음과 같다.

 

▶ 양성자 + 중성자 = 원자핵

▶ 원자핵 + 전자 = 원자

▶ 원자 + 원자 = 분자

 

원자핵의 기본이 되는 양성자 수는 각 원소마다 다르므로 양성자의 수로 원자를 구분하며, 양성자 수가 원자번호 이다.

예를 들어, 그림 1-2의 주기율표에서 양성자의 수가 1개인 원자는 원자 번호 1번인 수소이며, 양성자의 수가 6개인 원자는 원자번호 6번인 탄소이다.

 

그림 1-2 주기율표

 

질량수는 양성자와 중성자 수를 합한 것을 말한다. 예를 들어, 탄소는 원자핵 속에는 양성자 6개와 중성자 6개로 구성되므로, 질량수는 12이다. 

앞서 설명한 바를 원소의 기호로 표시하는 방법은 다음과 같다.

 

....................................(1-1)

 

위 식 1-1에서 기호 X는 원소 기호 (H, He, Li 등)를 나타내며, 기호 Z는 원자 번호 (양성자의 수)를 나타낸다. 

그리고 기호 A는 질량수 (양성자 수 + 중성자 수)를 나타내고, 기호 a는 분자의 원자수 (O2 등)를 나타낸다. 

마지막으로 기호 b는 이온의 전하수 (O-2 등)를 나타낸다.

 

그림 1-1에서 전자는 양성자(빨강)와 중성자(파랑) 보다 매우 작게 표현되어 있다. 

실제로도 전자의 질량은 양성자와 중성자 보다 매우 작다. 

양성자와 중성자 그리고 전자의 질량은 다음과 같다. (이때 질량수와 질량은 다른 의미임을 유의해야 한다)

 

▶ 양성자(p) : 1.67262 × 10-27 kg

▶ 중성자(n) : 1.67492 × 10-27 kg

▶ 전자(e-) : 9.10950 × 10-31 kg

 

양성자와 중성자의 질량은 매우 비슷하고 양성자가 중성자 보다 약간 가볍다. 

전자의 경우, 양성자와 중성자 보다 1840배 정도 가벼운 것을 알 수 있다. 즉, 핵자의 질량을 비교하면 양성자 > 중성자 > 전자 순서임을 알 수 있다.

자연계에는 두 종류의 기본적인 입자가 있다. 원자핵 속의 입자와 원자핵 바깥에 있는 입자다. 

원자핵 속의 입자는 양자와 중성자 등으로 하드론(강하다는 뜻의 그리스어)이라고 불린다. 원자핵 바깥에 있는 입자는 렙톤이다.

렙톤은 그리스어 렙토스에서 유래하였다. 렙토스는 작다, 가늘다, 약하다 등의 뜻이어서 한자로 가벼울 경(輕)자를 써서 경입자라고 부르기도 한다. 

이 이름은 그 당시 알려져 있던 전자나 뮤온(μ), 중성미자(ν)가 양성자에 비해 가볍기 때문에 지은 것이었다. 그러나 1970년대에 발견된 타우(τ)는 질량이 양성자의 두 배 가까이 되므로 현재는 렙톤의 뜻에 큰 의미는 없다. 

렙톤에는 각 세대마다 독립적인 렙톤 수(lepton number)를 부여한다. 

즉, 1세대 렙톤인 전자와 전자 중성미자는 전자 수(electronic number) Le =1, 

2세대 렙톤인 뮤온과 뮤온 중성미자는 뮤온 수(muonic number) Lμ =1, 

3세대의 타우와 타우 중성미자는 타우온 수(tauonic number) Lτ =1이고 이들의 반입자에는 각각 해당 렙톤 수로 -1을 부여한다. 전체 렙톤 수는 이들 세 렙톤 수의 합이다.

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예제 1 (2015년 원자력기사 기출)

다음중 핵자에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 중성자는 전기적으로 중성이고 안정된 입자이다.

② 양성자는 중성자보다 가볍고, 전자보다 전하량이 크다.

③ 양전자와 음전자는 전하 부호만 다르고 나머지는 동일하다.

④ 광자는 질량이 없으며 진공에서 다양한 속도로 진행한다.

 

정답) ③

① 중성자는 전하를 갖지 않아 전기적으로 중성이다. 핵속에 양성자와 공존하고 있을 때는 안정하지만, 자유 중성자는 불안정하다.

② 전하량은 어떤 물체가 띠고 있는 전기의 양이며, 단위는 C(쿨롱) 이다. 전하량의 기본 단위인 전자의 전하량은 1.6×1019 C 이고, 양성자는 전자는 같은 크기의 전하량을 가지나 부호가 반대이다. 그리고 양성자는 중성자 보다 약간 가볍다.

③ 전자는 양전자(e+)와 음전자(e-)로 구분되며, 양전자를 음전자의 반입자라고 한다. 반입자와 입자는 모든 물리적 성질이 동일하지만, 유일하게 전하의 부하가 서로 반대이다. 양전자와 양성자는 다른 개념이니 주의 해야 한다.

④ 광자는 기본 입자의 일종으로, 가시광선을 포함한 모든 전자기파를 구성하는 양자이자 전자기력의 매개입자이며, 기호는 γ이다. 광자는 기본적으로 질량은 가지지 않는다. 광자는 우리가 일반적으로 기억하고 있는 빛의 속도(3×108 m/s)와 동일하며, 일정하다.

예제 2 (2018년 원자력기사 기출)

다음중 렙톤(Lepton)에 속하는 입자가 아닌 것은?

① 중성미자(Neutrino)

② 전자(Electron)

③ 양전자(Positron)

④ 양성자(Proton)

 

정답) ④

자연계에는 두 종류의 기본적인 입자가 있다. 원자핵 속의 입자와 원자핵 바깥에 있는 입자다. 양성자는 원자핵 속의 입자 이므로 정답은 ④번 이다. 참고로, 렙톤에는 전자(음전자, 양전자)나 뮤온(μ), 중성미자(ν)가 있다.

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