원자핵 - Atomic nucleus

원자핵 - Atomic nucleus

원자핵은 1909년 가이거-마르스덴 금박 실험을 바탕으로 어니스트 러더포드가 1911년 발견한 원자의 중심에 있는 양성자와 중성자로 구성된 작고 밀도가 높은 지역이다. 1932년 중성자가 발견된 후, 양성자와 중성자로 구성된 핵의 모델은 드미트리 이바넨코와 베르너 하이젠베르그에 의해 빠르게 개발되었다. 원자는 양극으로 충전된 핵으로 구성되어 있으며, 음극으로 충전된 전자의 구름이 정전기력에 의해 결합되어 있다. 원자의 거의 모든 질량은 전자 구름의 아주 작은 기여로 핵에 위치한다. 양자와 중성자는 서로 결합하여 핵력에 의해 핵을 형성한다. 핵의 직경은 수소(단일 양성자의 직경)의 경우 1.756 fm(1.756×10^-15m) ~ 우라늄의 경우 약 11.7142 fm의 범위에 있다. 이러한 치수는 원자 자체의 직경(핵+전자구름)보다 훨씬 작으며, 약 26,634(우라늄 원자 반경은 약 156pm(156×10^-12m) ~ 약 60,250(수소 원자 반경은 약 52.92pm)의 비율로 볼 수 있다. 원자핵의 구성과 그것을 결합시키는 힘을 포함하여 원자핵의 연구와 이해에 관련된 물리학의 분야를 핵물리학이라고 한다.

원자핵의 역사

이 핵은 톰슨의 '플럼 푸딩 모델'을 실험하려는 어니스트 러더포드의 노력의 결과로 1911년에 발견되었다. 전자는 JJ에 의해 이미 일찍 발견되었다. 톰슨 자신도. 원자가 전기적으로 중립적이라는 것을 알고 톰슨은 양전하도 있어야 한다고 가정했다. 그의 매실 푸딩 모델에서 톰슨은 원자 하나가 양전하의 영역 내에 무작위로 흩어져 있는 음전자로 구성되어 있다고 제안했다. 어니스트 러더포드는 나중에 그의 연구 파트너 한스 가이거와 어니스트 마스덴의 도움으로 얇은 금속 포일을 향한 알파 입자(헬륨 핵)의 편향과 관련된 실험을 고안했다. 그는 톰슨의 모델이 정확하다면, 양전하가 중립적으로 보일 정도로 음전하와 양전하가 밀접하게 섞이면 포일이 전기적으로 중립적인 역할을 해야 하기 때문에 양전하 알파 입자가 경로상 편차를 거의 하지 않고 포일을 쉽게 통과할 것이라고 추론했다. 놀랍게도, 많은 입자들이 매우 큰 각도로 굴절되었다. 알파 입자의 질량은 전자의 약 8000배이기 때문에 거대하고 빠르게 움직이는 알파 입자를 비껴갈 수 있다면 매우 강한 힘이 존재해야 한다는 것이 명백해졌다. 그는 매실 푸딩 모델이 정확할 수 없고, 양전하와 음전하가 서로 분리되어야만 알파 입자의 편향을 설명할 수 있고, 원자의 질량이 양전하의 집중점임을 깨달았다. 이것은 양전하와 질량의 밀집된 중심을 가진 핵 원자의 생각을 정당화했다

원자핵의 구성 및 형상

양성자와 중성자는 페르미온으로 강한 이소스핀 양자수의 값이 다르므로 두 양성자와 두 중성자는 동일한 양자 실체가 아니기 때문에 동일한 우주파 기능을 공유할 수 있다. 그것들은 때때로 같은 입자의 서로 다른 두 개의 양자 상태인 핵으로 보여진다. 두 개의 양성자, 또는 두 개의 중성자와 같은 페르미온이나 양성자 + 중성자(중수자)는 정수 스핀을 갖는 쌍으로 느슨하게 결합되었을 때 이소닉 동작을 보일 수 있다. 희귀한 하이퍼뉴클레오스의 경우 하나 이상의 이상한 쿼크 및/또는 다른 특이한 쿼크를 포함하는 하이퍼론이라고 불리는 세 번째 바이런도 파동 기능을 공유할 수 있다. 그러나 이러한 종류의 핵은 극도로 불안정하며 고에너지 물리학 실험 외에는 지구에서는 발견되지 않는다. 중성자는 0.3 fm과 2 fm 사이의 보정 음전하 반경으로 둘러싸인 반경  fm 0.3 fm의 양전하를 띤다. 양성자는 약 0.8 fm의 평균 제곱 반경으로 대략적으로 기하급수적으로 붕괴하는 양의 전하 분포를 가지고 있다. 핵은 구면형, 럭비공형(프롤레이트 변형), 원반형(오블레이트 변형), 삼축형(소멸과 프롤레이트 변형의 조합) 또는 배형일 수 있다.

원자핵의 모형

물리학의 표준 모델은 핵의 구성과 행동을 완전히 기술한다고 널리 믿어지고 있지만, 이론으로부터 예측을 생성하는 것은 입자물리학의 다른 대부분의 영역보다 훨씬 더 어렵다. 이는 다음 두 가지 이유 때문이다. 원칙적으로 핵 내의 물리학은 전적으로 양자 색역학(QCD)에서 파생될 수 있다. 그러나 실제로는 핵 같은 저 에너지 시스템에서 QCD를 해결하기 위한 현재의 계산적, 수학적 접근방식은 극히 제한적이다. 이는 고에너지 쿼크 물질과 저에너지 하이드로닉 물질 사이에 발생하는 위상 전이 때문에 섭동 기법을 사용할 수 없게 되어 핵자들 사이의 힘에 대한 정확한 QCD 유도 모델을 구성하기 어렵다. 현재 접근방식은 아르곤 v18 전위설이나 치랄 유효장 이론과 같은 현상학적 모델로 제한된다.

핵력이 잘 제한되어 있다고 해도, 핵 ab initio의 성질을 정확하게 계산하기 위해서는 상당한 양의 계산력이 필요하다. 다체 이론의 발전은 많은 낮은 질량과 상대적으로 안정된 핵에 대해 이것을 가능하게 만들었지만, 무거운 핵이나 매우 불안정한 핵이 다루어지기 전에 연산력과 수학적 접근 모두에서 추가적인 개선이 필요하다. 역사적으로 실험은 반드시 불완전한 비교적 조잡한 모델과 비교되어 왔다. 이 모델들 중 어느 것도 핵 구조에 관한 실험 데이터를 완전히 설명할 수는 없다. 핵 반지름(R)은 모든 모델이 예측해야 하는 기본 수량 중 하나로 간주된다. 안정핵(후광핵이나 기타 불안정한 왜곡핵이 아님)의 경우, 핵반경은 핵의 질량수(A)의 입방근에 대략 비례하며, 특히 많은 핵이 포함된 핵에서, 보다 구면적인 구성으로 배열될 때 다음과 같다. 안정핵은 대략 일정한 밀도를 가지므로 핵 반지름 R은 다음 공식으로 근사할 수 있다.

여기서 A = 원자 질량 번호(양자 Z의 수, 중성자 N의 수)와 r0 = 1.25 fm = 1.25 × 10^-15m. 이 방정식에서 "정수" r0은 해당 핵에 따라 0.2 fm씩 다르지만, 이는 상수에서 20% 미만의 변화다. 즉, 핵에 양자와 중성자를 포장하는 것은 일정한 크기의 단단한 구들을 꽉 끼는 구면이나 거의 구면 백으로 포장하는 것과 대략 같은 총체적 결과를 준다(일부 안정된 핵은 꽤 구면적이지는 않지만, 프롤레이트라고 알려져 있다).