박종진
양성자는 2개의 업 쿼크와 다운 쿼크 한 개 등 쿼크 3개, 중성자는 한 개의 업 쿼크와 2개의 다운 쿼크로 되어 역시 쿼크 3개로 이루어진다. 그렇게 만들어진 양성자와 중성자가 원자핵을 이루며 여기에 양성자 개수만큼의 전자가 붙으면 물질의 가장 기본인 원자가 된다.
쿼크는 그 상태로 보아 3종류의 물리량을 가지고 있는데 그것을 쉽게 설명하기 위해서 빨강, 초록, 파랑 등 빛의 삼원색 이름을 빌렸을 뿐 실제로 그런 색을 가졌다는 말은 아니며 그런 이유로 양자색(色)역학이라고 부른다. 쿼크의 전하를 구해 보니 양성자나 전자의 1/3, 혹은 2/3의 전하를 갖는다는 사실도 알았고, 편의상 이것에 색이름을 붙여서 구별했으며, 원자핵 속의 양성자와 중성자를 구성하는 이들 쿼크가 작동하는 이론이 양자색역학이다. 자연에는 4가지 기본 힘이 있는데 그중 강한 핵력이 쿼크를 결합하는 일을 한다. 그러므로 양자색역학은 강력의 원리를 설명한다.
양성자의 전하량을 +1이라고 했을 때 업 쿼크의 전하량은 +2/3이고, 전자의 전하량을 -1이라고 하면 다운 쿼크의 전하는 -1/3이다. 양성자는 2개의 업 쿼크(+2/3)와 1개의 다운 쿼크(-1/3)로 이루어져 있으니 그 전하량의 합은, 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 = +1 그래서 양성자는 + 전기를 띤다.
중성자는 1개의 업 쿼크(+2/3)와 2개의 다운 쿼크(-1/3)로 되어 있으니 그 전하량의 합은, 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0 그래서 중성자는 전하가 없다.
양성자가 하나여서 원자 번호 1번인 수소 원자는 원자핵 속 양성자(+전하)와 주변의 전자(-전하)가 서로 상쇄되므로 전하를 띄지 않는데, 양성자의 수가 늘어나서 만들어지는 다른 원자도 늘어난 양성자 개수만큼 전자도 똑같이 늘어서 모든 원자는 전하가 없다. 예를 들어 양성자가 6개로서 원자 번호 6번인 탄소도 전자 역시 6개이므로 전하가 없으며, 원자 번호 26번인 철도 양성자가 26개이고 전자도 26개로서 전하를 띄지 않는다.
이 세상의 거의 모든 물질은 3개의 쿼크로 이루어져 있다. 쿼크 3개가 모여서 양성자(업 쿼크 둘과 다운 쿼크 하나)와 중성자(업 쿼크 하나와 다운 쿼크 둘)가 되는데 이를 전문 용어로 바리온이라고 하며 삼라만상의 기초가 된다. 그렇게 해서 양성자가 만들어지고 양성자의 개수에 따라 성질이 다른 원자가 된다. 그런 원자들이 모여서 분자를 이루고 결국, 모든 물질의 바탕이 된다. 무수한 별과 은하, 산과 들, 각종 동물과 식물, 그리고 인간 등 우리 눈에 보이는 것의 근본이 바로 쿼크라는 입자이며 2가지 쿼크 3개가 이리저리 모인 결과라니 참 신기하면서도 간단하다. (작가)
박종진