중성자

중성자는 양성자(proton)와 함께 원자핵(nucleus)을 이루고 있는 핵자(nucleon)의 하나로서, 전하를 가지고 있지 않기 때문에 중성자라고 부른다.

핵력(nuclear force)이 가지는 특성으로 인하여 양성자 두 개는 서로 결합하지 못하기 때문에 중성자는 핵자들이 결합하여 핵을 이루는 데 없어서는 안되는 존재이다.

중성자도 기본입자(particles)인 쿼크(quark)로 이루어져 있으며 유한한 크기와 내부구조를 가진다. 전기적으로 중성이지만 내부구조로 인하여 자기쌍극자모멘트를 가지고 있어서 전자기력의 영향을 받는다. 예를 들어, 중성자빔은 자기장에서 스핀 상태에 따라 두 갈래로 나뉜다.

중성자는 강한상호작용(strong interaction)을 하는 강입자(hadron)로, 그리고 중입자수(baryon number)가 1인 중입자(baryon)로 분류한다. 중성자는 양성자보다 무거운 중입자이기 때문에 혼자 떨어져 있으면 양성자로 붕괴하며 렙톤(lepton)인

전자(electron)와 반중성미자(antineutrino)를 방출한다.

목차

1917년의 실험으로 양성자의 존재를 증명해 보인 러더퍼드는 원자들의 원자량이 단순하게 수소원자의 원자량에 원자번호를 곱한 값이 아니라는 것을 설명하기 위해서는 양성자와 질량은 같지만 전하를 띠지 않은 중성자가 있어야만 한다는 것을 예견하고 이것을 1920년의 한 강연에서 언급하였다. 1932년 중성자를 발견한 채드윅(J. Chadwick, 1891-1974)은 이 강연을 들었고 퀴리 부부의 딸과 사위인 졸리오-퀴리 부부(I. Joliot-Curie, 1897-1956, F. Joiliot-Curie, 1900-1958)가 그들의 실험에서 ‘무거운 이상한 감마선’을 발견했다는 연구논문을 읽고 이것이 감마선이 아니라 러더퍼드가 말한 전하가 없는 중성자의 흐름일 것이라는 가설을 세우고 이것을 실험적으로 증명하였다. 채드윅은 중성자를 발견한 공로로 1935년 노벨물리학상을 수상하였으며 중성자의 발견으로 양성자와 중성자가 어떻게 핵을 이루고 있는지를 연구하는 핵물리학이 시작되었다.

핵에 들어 있는 양성자의 수는 곧 원자번호(atomic number)이며 중성인 원자에서 전자의 수와 같다. 전자의 수가 화학적 성질을 결정해 주는 것이므로 핵을 구성하는 양성자의 수만 같으면 같은 원소의 원자가 된다. 그런데, 동일한 개수의 양성자에 다른 수의 중성자가 결합하여 핵이 만들어질 수 있는데, 이들은 화학적 성질은 같지만 질량이 다른 원소로서 동위원소(isotope)라고 한다. 예를 들어, 우리 주변의 대부분의 탄소는 양성자 6개와 중성자 6개로 만들어진 핵을 가지는 데 특별하게 탄소-14는 양성자 6개와 중성자 8개가 결합하여 만들어진 핵을 가진다. 사실 1800년 초반에 화학자 프라우트(W. Prout, 1785-1850)가 그 당시 발견된 원소들의 원자량이 수소원소의 원자량의 정수배니까 수소 원소가 다른 모든 원소의 기본 단위일 것이라는 제안을 하였는데, 이 아이디어는 염소의 원자량이 35.5라는 실험적 사실로부터 폐기되었다. 하지만 핵을 구성하는 양성자 수와 중성자 수의 합인 질량수가 각각 35와 37인 염소의 동위원소가 자연계에 3: 1의 비율로 존재한다고 가정하면 설명할 수 있게 된다.

동일한 수의 중성자에 서로 다른 수의 양성자가 붙어서 만들어지는 핵을 가진 원자를 동중성자핵(isotone)라고 한다.(영어 isotope와 isotone에서 proton과 neutron의 첫 자 p와 n이 사용된 것을 눈여겨 보라) 양성자 8개와 중성자 8개로 만들어진 산소(Oxyzen) @@NAMATH_INLINE@@\rm{}^{16}_{{}8} O @@NAMATH_INLINE@@과 양성자 7개와 중성자 8개로 만들어진 질소(Nitrogen) @@NAMATH_INLINE@@\rm{}^{15}_{{}7} N @@NAMATH_INLINE@@과 양성자 6개와 중성자 8개로 만들어진 탄소(Carbon) @@NAMATH_INLINE@@\rm{}^{14}_{{}6} C @@NAMATH_INLINE@@은 동중성원자핵의 예이다.

중성자의 질량은 @@NAMATH_INLINE@@ 1.6749 \times 10^{-27}{\cdot \rm kg}(939.565378{\cdot \rm MeV/c^2})@@NAMATH_INLINE@@로 양성자보다 약 0.1%만큼 더 무겁다. 질량과 전하를 제외하면 중성자는 모든 점에서 양성자와 성질이 같다. 즉, 스핀이 1/2인 페르미온(fermion)이며 중입자(baryon)이고 강입자(hadron)이다. 핵력만 고려하면 심지어 양성자와 양성자 사이의 핵력과 중성자와 중성자 사이의 핵력은 같다.

전기적으로 중성임에도 불구하고 @@NAMATH_INLINE@@-1.914 \cdot \mu_N@@NAMATH_INLINE@@의 자기쌍극자모멘트를 가진다. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@ \mu_N = e\hbar/2m_p@@NAMATH_INLINE@@는 핵마그네톤이라고 부르는 자기쌍극자모멘트의 단위이며 그 값은 @@NAMATH_INLINE@@ 5.05078353(11)\times 10^{-27}{\rm J/T} @@NAMATH_INLINE@@이다. 이 사실이 실험적으로 밝혀졌을 때 과학자들은 크게 놀랐으며 중성자가 더 작은 기본입자로 이루어져 있고 그 기본입자가 전기를 띠고 있기 때문이라는 생각을 가지게 되었다. 쿼크모형(quark model)에서 중성자는 위 쿼크(up quark) 한 개와 아래 쿼크(down quark) 두 개로 이루어져 있는 것으로 설명한다. 위쿼크와 아래 쿼크는 모두 스핀이 1/2인 페르미온이고 각각 @@NAMATH_INLINE@@(+2/3)e@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@(-1/3)e@@NAMATH_INLINE@@의 전하량를 가지고 있으므로 중성자가 페르미온이라는 것과 중성자도 구성입자인 쿼크들의 전하에 의해 자기쌍극자모멘트를 가질 수 있다는 것을 설명할 수 있다.

중성자는 양성자에 비해 약 0.1%정도 더 무겁기 때문에 혼자 떨어져 있는 중성자는 양성자로 변환이 되며 그 질량 차이로 전자 @@NAMATH_INLINE@@{\rm e}@@NAMATH_INLINE@@와 전자중성미자(electron neutrino)의 반입자인 @@NAMATH_INLINE@@{\rm \bar{\nu}_e}@@NAMATH_INLINE@@를 생성하고 이들에게 운동에너지를 줄 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e} @@NAMATH_DISPLAY@@

이러한 중성자 붕괴는 확률적으로 일어나며 중성자의 수가 반으로 되는데 걸리는 시간, 즉 반감기는 881.5 초이다.

핵 안에 있는 중성자는 결합에너지(nuclear binding energy)로 인하여 에너지가 낮아져서 혼자 있는 경우와는 달리 붕괴하지 않으므로 안정된 원자핵이 자연계에 존재할 수 있다. 하지만 양성자와 중성자가 페르미온이기 때문에 같은 에너지준위에 있을 수 없으므로 중성자 수가 양성자 수에 비해 많아지면 어떤 중성자는 양성자보다 충분히 높은 에너지를 가지게 된다. 그 중성자가 양성자로 변환되어 보다 낮은 에너지로 전이할 수 있으면 질량수는 변하지 않고 원자번호가 하나 증가하는 베타붕괴가 일어난다. 연대측정에 사용되는 탄소-14는 베타붕괴

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm{}^{14}_{{}6} C \rightarrow{}^{14}_{{}7} N + e^- + \bar{\nu}_e} @@NAMATH_DISPLAY@@

를 하며 이 붕괴의 반감기가 5730 년인 것을 이용한다.

중성자는 전하를 가지고 있지 않기 때문에 핵과 전기적인 반발력이 없어서 양성자보다 훨씬 쉽게 핵변환을 일으킬 수 있다. 대표적인 것이 우라늄 핵분열인데 낮은 에너지를 가진 중성자가 우라늄-235에 포획되면 다음과 같은 반응이 일어난다.

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm n+{}^{235}_{92} U \rightarrow{}^{236}_{92} U \rightarrow{}^{140}_{54} Xe+{}^{94}_{38} Sr + 2 n}@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm n+{}^{235}_{{}92} U \rightarrow{}^{236}_{{}92} U \rightarrow{}^{141}_{{}56} Ba+{}^{92}_{36} Kr + 3 n}@@NAMATH_DISPLAY@@

이 때 여러 중성자가 나오는데 이들은 다른 우라늄 핵에 흡수되어 다시 우라늄 핵분열을 일어나도록 하는 연쇄반응(Chain reaction)을 일으킨다. 분열 전의 우라늄-236보다 결과물로 나오는 핵들의 질량의 합이 더 작아서 많은 에너지가 나오며 연쇄반응의 결과 막대한 에너지를 분출할 수 있다. 이것을 이용하는 것이 원자로(nuclear recator)와 원자폭탄(atomic bomb)이다.

원자로에서는 우라늄-238에 중성자가 흡수되어 우라늄-239가 되었다가 이것이 베타붕괴를 하며 넵투늄-239가 되고 또 베타붕괴를 하여 플루토늄-239가 되는 다음과 같은 반응도 일어난다.

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm n+{}^{238}_{{}92} U \rightarrow{}^{239}_{{}92} U \rightarrow{}^{239}_{{}93} Np + e^- + \bar{\nu}_e} ,@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@{\rm{}^{239}_{93} Np \rightarrow{}^{239}_{94} Pu + e^- + \bar{\nu}_e}. @@NAMATH_DISPLAY@@

중성자는 질량이 있어서 같은 에너지를 가지는 전자기파보다 물질파의 파장이 훨씬 짧기 때문에 회절이 작게 일어나 매우 작은 크기의 구조를 알아보는 데 쓰인다.

질량을 가지고 있기 때문에 전자기파인 감마선보다 투과력이 좋아서 암치료등에 쓰일 수 있다. 그러나 이러한 중성자 치료는 빔이 지난 자리에 있는 원자핵들이 중성자를 흡수하여 방사성동위원소가 되고 치료 후에도 이들이 계속해서 방사선을 내는 문제점이 있다.