양성자 - proton

양성자 - proton

양성자는 아원자 입자로 기호 p 또는 p+이며, +1e의 양전하와 중성자의 양전하보다 약간 적은 질량을 가지고 있다. 양자와 중성자는 각각 대략 1개의 원자 질량 단위의 질량을 갖는 것을 집합적으로 "핵"(원자핵에 존재하는 입자)이라고 한다. 모든 원자의 핵에는 하나 이상의 양자가 존재하며, 그것들은 핵의 필수적인 부분이다. 핵의 양성자 수는 원소의 정의 속성이며, 원자 번호(기호 Z로 표시)라고 한다. 원소마다 양자의 수가 다르기 때문에 원소마다 고유한 원자 번호가 있다. 양성자란 말은 그리스어로 '첫번째'를 뜻하며, 이 이름은 1920년 어니스트 러더포드에 의해 수소핵에 붙여졌다. 예년에 러더포드는 수소 핵(가장 가벼운 핵으로 알려져 있음)이 원자 충돌에 의해 질소 핵에서 추출될 수 있다는 것을 발견했다. 따라서 양성자는 근본적인 입자가 될 수 있는 후보였고, 따라서 질소와 다른 모든 무거운 원자핵의 구성 요소였다. 양자는 원래 기본 입자나 소립자로 여겨졌지만, 현대의 입자물리학 표준 모델에서 양자는 중성자처럼 다른 핵자와 마찬가지로 하드론으로 분류된다. 양성자는 3개의 발란스 쿼크로 구성된 복합 입자로, 2개의 상승 쿼크 +2/3e와 1개의 하강 쿼크 –1/3e이다. 나머지 쿼크의 질량은 양성자 질량의 1% 정도만 기여한다. 양성자의 나머지 질량은 쿼크의 운동 에너지와 쿼크를 결합시키는 글루온장의 에너지를 포함하는 양자 색역학 결합 에너지 때문이다. 양성자는 기본 입자가 아니기 때문에 측정할 수 있는 크기를 가지고 있다. 양성자의 루트 평균 제곱 전하 반경은 약 0.84–0.87 fm이다(또는 0.84×10^-15 ~ 0.87×10^-15m). 2019년, 서로 다른 기법을 사용한 두 가지 연구에서 양성자의 반지름은 0.833 fm, 불확실성은 ±0.010 fm으로 나타났다. 충분히 낮은 온도에서, 자유 양자는 전자와 결합할 것이다. 그러나 이와 같이 묶인 양자의 성격은 변하지 않고, 양자로 남아 있다. 물질을 통과하는 빠른 양성자는 원자의 전자 구름에 포착될 때까지 전자와 핵과의 상호작용에 의해 느려질 것이다. 그 결과는 수소의 화학적 화합물인 양성자 원자다. 진공에서 자유 전자가 존재할 때 충분히 느린 양성자는 하나의 자유 전자를 집어 화학적으로 자유 급진적인 중성 수소 원자가 될 수도 있다. 그러한 "자유 수소 원자"는 충분히 낮은 에너지에서 다른 많은 종류의 원자와 화학적으로 반응하는 경향이 있다. 자유 수소 원자가 서로 반응할 때 중성 수소 분자(H2)를 형성하는데, 이것은 성간 공간에서 분자 구름의 가장 흔한 분자 성분이다.

양성자는 스핀을 이용한 페르미온이며 3개의 발란스 쿼크로 구성되어 있어 바이런(하드론의 하위형)이 된다. 두 개의 위 쿼크와 하나의 양자의 아래 쿼크는 글루온에 의해 매개되는 강한 힘에 의해 함께 잡힌다. 현대의 관점은 발란스 쿼크(위, 위, 아래), 글루온, 그리고 바다 쿼크의 일시적인 쌍으로 구성된 양성자를 가지고 있다. 양성자는 대략적으로 기하급수적으로 소멸되는 양의 전하 분포를 가지고 있으며, 평균 제곱 반경은 약 0.8 fm이다. 양성자와 중성자는 모두 핵이며, 핵력에 의해 결합되어 원자핵을 형성할 수도 있다. 수소 원자의 가장 흔한 동위원소(화학 기호 "H"가 있음)의 핵은 외로운 양성자 이다. 중수소 동위원소 중수소 및 삼중수소의 핵은 각각 1개의 중성자와 2개의 중성자에 결합된 1개의 양성자를 포함하고 있다. 다른 모든 형태의 원자핵은 두 개 이상의 양성자와 다양한 수의 중성자로 구성되어 있다.

쿼크와 양성자의 질량

핵력의 현대 이론인 양자 색역학에서는 양성자와 중성자의 질량의 대부분이 특수상대성이론에 의해 설명된다. 양성자의 질량은 이를 구성하는 쿼크의 나머지 질량의 합보다 약 80~100배 더 큰 반면 글루온은 휴식 질량이 0이다. QCD 진공에서 쿼크만의 나머지 에너지와 비교했을 때 양성자 내의 한 지역에서 쿼크와 글루온의 여분의 에너지는 질량의 거의 99%를 차지한다. 양성자의 나머지 질량은 따라서 입자를 구성하는 움직이는 쿼크와 글루온의 계통의 불변 질량이며, 그러한 계통에서는 질량이 없는 입자의 에너지조차 계의 나머지 질량의 일부로 측정된다.

양자를 구성하는 쿼크의 질량을 가리키는 데 두 가지 용어가 사용된다:현재 쿼크 질량은 스스로 쿼크의 질량을 말하는 반면, 구성 쿼크 질량은 쿼크를 둘러싼 글루온 입자장의 질량을 더한 현재의 쿼크 질량을 말한다. 이러한 질량은 전형적으로 매우 다른 가치를 가지고 있다. 지적했듯이, 대부분의 양성자의 질량은 쿼크 자체에서 나오는 것이 아니라 현재의 쿼크를 함께 묶는 글루온에서 나온다. 글루온은 본래 질량이 없는 반면에 에너지를 가지고 있다. 더 구체적으로 말하면 양자 색역학 결합 에너지(QCBE)는 양자의 전체 질량에 매우 크게 기여한다(특수 상대성 질량 참조). 양성자는 약 938 MeV/c2의 질량을 가지며, 그 중 3개의 발란스 쿼크의 나머지 질량은 약 9.4 MeV/c2에만 기여한다. 나머지 대부분은 글루온의 QCBE에 기인할 수 있다.

양성자에 대한 구성 쿼크 모델 파동 함수는 다음과 같다.

양자의 내부 역학은 쿼크의 글루온 교환에 의해 결정되며, 다양한 진공 응축물과 상호작용하기 때문에 복잡하다. 격자 QCD는 원칙적으로 이론에서 양성자의 질량을 임의의 정확도로 직접 계산하는 방법을 제공한다. 가장 최근의 계산은 질량이 1%의 정확도에도 불구하고 4% 이상의 정확도로 결정된다고 주장한다(Dürr 등의 그림 S5 참조). 이러한 주장은 아직 실제 세계에서처럼 가벼운 쿼크로는 계산이 이루어질 수 없기 때문에 여전히 논란이 되고 있다. 이는 외삽 과정에서 예측이 발견된다는 뜻으로, 체계적인 오류를 불러올 수 있다. 실험과 비교되는 양이 사전에 알려진 하드론의 질량이기 때문에 이러한 오류들이 제대로 통제되고 있는지 알 수 없다.

이러한 최근의 계산은 거대한 슈퍼컴퓨터에 의해 수행되며, 보피와 파스키니에 의해 지적된 바와 같이 "핵 구조에 대한 상세한 설명은 여전히 누락되어 있다. 왜냐하면... 장거리 행동에는 비활동적 또는 수치적 치료가 필요하다.양자의 구조에 대한 보다 개념적인 접근방법은 원래 토니 스카임으로 인한 위상학적 솔리톤 접근방식과 이를 확장하여 글루온의 스트링 이론을 포함하는 보다 정확한 ADS/QCD 접근방식, 1980년대에 유행했던 가방 모델과 구성품 쿼크 모델과 같은 다양한 QCD에서 영감을 받은 모델, 그리고 SVZ sum ru이다.대략적인 질량 계산을 가능하게 하는 병변. 이 방법들은 적어도 아직까지는 더 많은 브루트-포스 격자 QCD 방법과 동일한 정확도를 가지고 있지 않다.