원자핵의 구성입자 그리고 광자

일단 원자가 중심부에 놓인 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자들로 구성되었다는 사실이 명백해지자 이번에는 다시 원자핵이 무엇으로 구성되어 있는가 하는 문제가 등장하였다. 원자핵을 구성하는 것으로 보이는 입자로서 전자의 전하량과 그 크기가 같고 부호가 반대인 양의 전하를 띠는 무거운 입자를 곧 생각할 수 있다.

 

이러한 입자는 수소의 원자핵에서 보는 바와 같이 단일 입자로 존재하기도 하며, 좀 더 큰 원자핵을 다른 입자로 때려 붕괴시킬 때 튀어나오기도 한다. 러더포드는 1919년에 질소 원자핵을 아파 입자로 때림으로써 이러한 입자가 나오는 것을 확인하고 이를 곧 양성자라고 명명했다. 양성자의 전하는 전자의 전하를 -1이라고 할 때 +1이며 그 질량은 전자 질량의 약 1836배이다.

 

그러나 원자핵이 양성자만으로 이루어졌다고 할 수 없다. 가령 헬륨의 원자핵은 그 전하가 양성자의 2배이지만 질량은 대략 양성자의 4배가 된다. 그러면 2개의 양성자에 의한 질량을 제외한 나머지 질량은 어디서 온 것일까? 여기에 관해서는 두 가지 가능성을 생각할 수 있다.

 

첫째는 질량만 가지고 있고 전하를 띠지 않는 중성 입자가 있으리라는 것이고 둘째는 원자핵 속에 전자들이 들어 있어서 양성자의 전하를 일부 중화시킬 것이라는 가능성이다. 그런데 1932년 영국의 물리학자 채드윅이 원자핵의 붕괴 과정에서 중성 입자를 실제로 관측함으로써 이 문제는 쉽게 해결이 되었다.

 

채드윅은 알파 입자로 베릴륨 원자핵을 때릴 때 무거운 중성 입자가 방출된다는 사실을 확인했으며, 그는 이것을 중성자라고 명명했다. 중성자의 질량은 양성자의 질량과 거의 비슷하나 약간 더 큰 것으로 판명되었으며, 그 크기는 전자 질량의 약 1840배가 된다.

 

이제 중성자의 존재를 인정하면 헬륨 원자핵이 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성되었다고 봄으로써 그 전하와 질량을 설명할 수 있다. 사실상 방사성 물질의 원자핵에서 방출되는 알파 입자도 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성된 헬륨 원자핵과 동일한 것임이 밝혀졌다. 이리하여 원자의 중심부를 구성하는 원자핵은 2개의 좀 더 기본적인 입자들인 양성자와 중성자로 구성되었음이 밝혀졌다. 원자핵을 구성하는 이 두 가지 입자들을 핵자라고 부르기도 한다.

 

기본 입자와 쿼크 이론

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우리는 지금까지 물질을 구성하는 요소로서 원자가 존재함을 보았고 다시 원자를 구성하는 구성입자들로 전자, 양성자, 중성자가 있음을 보았다. 이제 우리는 두 가지 질문을 더 던지게 된다.

 

첫째는 전자, 양성자, 중성자 이외에 어떤 다른 기본적인 입자들이 자연계에 존재하는가 하는 점이며 둘째는 전자, 양성자, 중성자 등 현재 기본 입자라고 불리는 것들이 과연 물질의 가장 기본적이고 궁극적인 구성 요소들인가 하는 의문이다. 우리는 이 두 번째 의문은 잠시 뒤로 미루기로 하고 여기서는 전자, 양성자, 중성자 이외에 우리가 기본 입자라고 부를 만한 것으로 어떤 것들이 있는가를 생각해보기로 한다.

 

광자에 대해

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우선 제일 먼저 생각할 수 있는 것은 물질의 직접적인 구성 요소는 아니면서 기본적인 입자의 성격으로 가진 것으로 광자가 있다. 이것은 간단히 말해 빛을 이루는 입자라고 할 수 있다. 그러나 빛이 과연 입자로 구성된 것인가 하는 것은 물리학의 긴 역사를 통해 많은 논란을 일으켰던 문제이다.

 

특히 19세기에 이르러 빛의 파동적인 성격이 실험적으로 확인되었고, 더욱이 맥스웰의 파동 방정식에 의해 빛의 파동 형태를 이론적으로 기술할 수 있게 되자, 빛은 입자가 아니고 파동의 일종이라고 누구나 믿게 되었다. 

 

그러나 20세기에 들어서면서 빛을 파동이라고 보아서는 설명할 수 없는 새로운 실험 사실들이 나타났고 특히 아인슈타인은 광전효과를 설명함에 있어서 빛의 입자적 성격을 대담하게 가정하였다. 이리하여 빛은 파동성과 입자성을 함께 가지는 존재로 한때 과학자들을 당황하게 하였으나, 그 후에 등장한 양자이론에 의해 이러한 이중성은 오히려 기본 입자들이 가지게 될 필연적인 성격인 것으로 해명되었다.

 

즉 빛 만이 아니라 전자와 양성자 등도 입자적 성격과 동시에 파동적 성격을 가진다는 것이며, 이러한 사실은 실험적으로 곧 확인되었다. 그러므로 이제 우리는 빛을 입자라고 인정하는 데 주저할 이유가 없는 것이다.