박종진의 과학 이야기- 중성자

물질의 가장 최소 단위는 원자라고 배웠다. 지금은 과학이 더 발달해서 원자보다 더 작은 입자를 다루는 입자물리학 시대다. 물질을 계속 쪼개면 궁극에는 입자 직전의 원자 상태가 된다고 한다.     19세기가 끝나갈 무렵 톰슨이란 과학자가 전자를 발견했다. 고전역학적인 관점에서 전자는 입자처럼 취급되지만, 양자역학적으로 보면 전자는 부피가 없다. 그런 전자는 입자와 파동의 이중성을 갖는 것처럼 행동한다.     20세기 초에 들어와서 톰슨의 제자였던 러더포드는 실험을 통해 원자 속에 아주 단단한 양전하를 띠는 것이 있을 것으로 추측했다. 그는 원자의 모습이 스승이 발견했던 전자(음전하)가 양전하를 갖는 원자핵의 주위를 마치 지구 같은 행성이 태양을 공전하는 것과 같은 구조일 것으로 생각했다.   19세기에 여러 원소가 발견되었고 러시아의 멘델레예프는 그들 사이에 어떤 규칙이 있을 것으로 생각해서 원소주기율표를 만들었는데 그 때문에 나중에 한국의 수험생들이 입시 준비를 하려고 주기율표를 외우느라 엄청 애를 먹었다.     처음에는 원소의 질량에 따라 그 화학적 성질이 달라지는 데 착안하여 주기율표의 새 원소 자리를 채워나갔지만, 곧 원자 속에 들어있는 양성자의 수에 의해서 다른 성질의 원소가 된다는 것을 알았다.     그런데 문제가 생겼다. 양성자가 두 개인 헬륨 원자핵의 질량이 양성자가 한 개인 수소 원자핵 질량의 4배나 된 것이다. 핵 주위를 공전하는 전자는 양성자 질량의 2천 분의 1 정도여서 무시해도 됐는데 헬륨의 질량이 수소의 2배가 아니라 실제로는 4배나 되었기 때문에 무엇인지는 모르지만, 원자핵 속에 양성자와 무게가 거의 같고 전하가 없는 그 어떤 것이 있을 것이라는 추측을 했다.     바로 중성자였고 중성자의 발견은 핵에너지 시대를 열었다. 중성자가 연쇄 핵반응을 일으키기 때문이다.     러더포드의 제자였던 체드윅은 1932년에 드디어 전하는 없지만, 양성자와 질량이 거의 비슷한 중성자를 발견했다. 중성자는 항상 양성자와 짝이 되어 행동한다는 사실도 알았다.     중성자는 원자핵 속에 있을 때는 양성자와의 핵력에 의해서 안정되지만, 핵 바깥에 있는 자유 중성자는 곧 깨져버린다. 이를 '베타 붕괴'라고 하는데 중성자는 깨지면서 양성자, 전자, 그리고 중성미자가 되고 그렇게 생긴 양성자와 전자가 결합하여 수소 원자가 된다. 이로써 최초의 물질인 수소 원소가 등장했다. 물론 핵 속에 중성자가 없는 것은 경수소인데 우주에 흔한 수소 대부분이 경수소다.   입자물리학에서 보면 중성자는 위(up) 쿼크 한 개와 아래(down) 쿼크 두 개로 되어 있지만, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크로 되어 있으므로 핵을 이루는 양성자와 중성자는 각각 세 개의 쿼크 입자 조합으로 이루어졌다. 따라서 인간을 포함한 삼라만상은 쿼크와 그리고 핵 주위를 공전하는 전자라는 입자로 되어 있는 셈이다.     동위원소란 원자핵 속의 양성자와 핵 주위의 전자는 같은 개수인데 핵 속의 중성자 수가 달라서 그 원소와 화학적 성질은 같지만, 질량이 다른 원소를 말한다. 그중 방사성을 띠는 탄소동위원소의 질량이 반으로 줄어드는 시간, 즉 반감기를 이용하여 사물의 나이를 측정할 수 있다. (작가)     박종진박종진 이야기 중성자가 연쇄 자유 중성자 양성자 전자