양성자

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양성자
Quark structure proton.svg
양성자의 쿼크 구성
구성 2 up, 1 down
통계 페르미온
무리 쿼크
반입자 반양성자
발견 어니스트 러더퍼드(1919)
기호 p+
질량 1.672 621 71(29) × 10−27 kg
938.272 029(80) MeV/c2
1.007 276 466 88(13) u
전하 1.602 176 53(14) × 10−19 C
스핀 ½

양성자(陽性子, proton)는 +1e의 전하를 가지는 원자의 구성입자로 중성자와 함께 원자핵을 이루며, 이 둘을 “핵자”라고도 부른다. 모든 원자의 핵에는 하나이상의 양성자가 포함되어 있고 이 양성자의 개수가 원소의 성질을 결정하는데, 각 원소가 각자 다른 수의 양성자를 가지기 때문에 양성자의 개수를 원소의 고유한 원자번호로 사용한다. 양성자의 영문 표기인 proton은 그리스어로 “첫번째“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.[1] 양성자 질량의 남는 부분은 퀴크의 역학적 에너지와 퀴크를 모아주는 글루온에 의한 강한 상호작용의 에너지에 의한 것이다. 양성자는 기본입자가 아니기 때문에 물리적인 크기를 갖는다. 양성자의 지름은 약 0.84–0.87 fm이다.[2]

충분히 낮은 온도에서 자유 양성자는 전자와 결합한다. 하지만 그렇게 묶인 양성자의 성질이 변하지는 않는다. 물질사이를 빠르게 움직이는 양성자는 전자나 원자핵과의 상호작용으로 인해 원자의 전자구름에 붙잡힐 때까지 속도가 느려진다. 그 결과로 생성되는 것이 수소 화합물의 일종인 양자화 된 원자이다. 진공상태에서 자유전자가 존재한다면 충분히 느린 양성자가 각각의 자유전자를 집어가 화학적으로 유리기상태인 중성수소원자가 된다. 이러한 “자유 수소원자”들은 충분히 낮은 에너지를 갖는 다른 원자와 화학반응을 일으키는 경향이 있다. 두 자유 수소원자가 서로 반응하면 그것들은 성간 공간분자 구름에 가장 흔한 분자인 중성 수소분자(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 성질[편집]

  • 전하 (1.602 × 10−19 C): 전자전하와 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]

주성의 발견으로, 양성자가 기본 입자가 아니라 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크강한 상호작용으로 묶인, 복합 입자임이 밝혀졌다. 하이젠베르크에 의해 제안된 아이소스핀 1/2을 가지며, 같은 핵자중성자와 쌍을 이룬다.

같이 보기[편집]

  1. Cho, Adiran (2010년 4월 2일). “Mass of the Common Quark Finally Nailed Down”. 《http://news.sciencemag.org》. American Association for the Advancement of Science. 2014년 9월 27일에 확인함.  |website=에 바깥 고리가 있음 (도움말)
  2. “Proton size puzzle reinforced!”. Paul Shearer Institute. 2013년 1월 25일.