아원자 입자와 원자의 구성 요소

아원자 입자 (subatomic particle)

아원자 입자(subatomic particle)란 원자보다 작은 크기의 입자들을 말한다. 아원자 입자에는 더 작은 단위의 구성 입자들로 구성된 합성 입자도 있고, 더는 분해되지 않는다고 여겨지는 기본 입자들도 있다. 원자핵공학에서는 특히 다음 소립자들을 중요하게 다룬다.

• 강입자(hadron)
  • 중입자(baryon)
    • 핵자(nucleon)
      • 양성자(proton)
      • 중성자 (neutron)
• 경입자(lepton)
  • 전자(electron)
  • 양전자(positron)
  • 중성미자(neutrino)

‘경입자(lepton)’라는 이름은 작고 얇다는 뜻의 그리스어인 ‘λεπτός’에서 유래하였다. 명명 당시 다른 유형의 소립자들에 비해 질량이 작다고 하여 이러한 이름이 붙었으나, 이후 1970년대에 발견된 타우온(tauon)의 경우 경입자임에도 불구하고 질량이 양성자, 중성자의 1.9배에 가까운 수준이므로 실제로는 경입자라고 해서 꼭 가볍지만은 않다.

전자(electron) & 양전자(positron)

• 정지질량: $m_e = 9.10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• 전하량: $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

전자는 음전하를 지니는 $e^-$(음전자, negatron)과 양전하를 지니는 $e^+$(양전자, positron)의 두 종류가 있으며, 이 둘은 전하량의 부호만 다를 뿐 그 외의 성질은 동일하다. 보통 다른 언급 없이 전자라고 하면 음전자를 의미한다.

특정 조건 하에서 양전자와 음전자가 충돌하면 이들 2개의 전자가 소멸하면서 2개의 광자가 방출된다. 이 과정을 전자소멸(electron annihilation)이라 하며 이때 발생하는 광자를 소멸 방사선(annihilation radiation)이라 한다.

이미지 출처

• 저작자: Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• 라이선스: GFDLv1.2

양성자 (proton)

• 정지질량: $m_p = 1.6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 전하량: + $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

전자와 같은 크기의 양전하를 갖는다.

중성자 (neutron)

• 정지질량: $m_n = 1.674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 전하량: $0$

양성자보다 약간 큰 질량을 가지며 전기적으로 중성이다. 원자핵 밖에서는 안정하지 않으므로 전자와 전자 반중성미자를 방출하며 붕괴하여 양성자가 되며, 이 과정은 평균 12분 정도 걸린다.

중성미자 (neutrino)

• 정지질량: 매우 작음(정확한 값 불명)
• 전하: $0$

원래는 정지질량이 0이라고 여겨졌으나, 1998년에 일본의 슈퍼 카미오칸데 연구팀에 의해 매우 작지만 질량을 가진다는 것이 밝혀졌다. 여러 종류가 있는데 핵반응에서는 그 중 전자 중성미자(electron neutrino)와 전자 반중성미자(electron anti-neutrino)를 중요하게 고려하며, 보통은 이 둘을 구분하지 않고 한 종류로 간주한다.

원자와 원자핵의 구조

\[^A_Z X \ (\text{A: 질량수, Z: 원자번호, X: 원소기호})\]

• 원자는 전자구름과 중심에 위치한 원자핵으로 구성
• 이온화되지 않은 중성 원자는 양성자와 같은 개수의 전자가 원자핵 주변을 회전함
• 전자는 원자의 화학적 특성과 원소 종류를 결정함
• 원자핵은 핵자인 양성자와 중성자로 이루어지며, 핵자들은 강한 핵력(Nuclear Force)에 의해 전기적 반발을 이겨내고 결합함
• 원자번호(atomic number): 원자핵이 포함하는 양성자의 개수를 의미하며, $Z$로 표시
• 원자핵의 총 전하: +$Ze$
• 중성자수(neutron number): 원자핵이 포함하는 중성자의 개수를 의미하며, $N$로 표시
• 질량수(atomic mass number) 또는 핵자수(nucleon number): 원자핵의 양성자 수와 중성자 수의 합. $A=Z+N.$
• 핵종(nuclide): 특정 양성자와 중성자 수를 가진 원자핵

동위원소(isotope), 동중원소(isobar), 동중성자체(isotone), 핵이성체(isomer)

구분	정의
동위원소(isotope)	원자번호가 같지만 중성자수가 다른 핵종
동중원소(isobar)	질량수가 같지만 양성자수와 중성자수가 다른 핵종
동중성자체(isotone)	중성자수가 같지만 원자번호가 다른 핵종
핵이성체(isomer)	같은 핵종이지만 하나 이상의 핵자의 들뜸(excitation)으로 인해 준안정상태인 원자핵