양성자

특성

양성자의 주요성질은 전하, 질량, 스핀, 자기 모멘트 및 통계이다. 양성자의 전하량은 전자의 전하 1.602×10^－19C과 같고 부호는 반대이다. 양성자의 질량은 1.6726×10^－27kg이고, 이것은 전자의 질량의 1,836.1배이다.

이 사실은 원자의 거의 모든 질량이 원자핵에 집중되어 있다는 것을 말해준다. 양성자와 전자의 전하 크기가 같다는 것은 수소원자가 중성이라는 사실에 의해서 증명된다. 따라서 전하를 알기 위해서는 양성자나 전자 중 어느 것의 전하를 측정해도 상관 없지만, 후자를 측정하는 것이 기술적으로 용이하다. 양성자의 질량은 질량분석기를 사용해서 결정할 수 있다.

전하와 질량 외에 양성자는 크기가 1/2(h/2π)인 고유 각운동량, 즉 스핀을 가지고 있다. 여기서 h는 플랑크 상수이다. 만일 양성자를 작은 공모양이라고 생각한다면, 스핀은 지구가 지축을 중심으로 자전하고 있는 것과 마찬가지로 양성자가 어떤 축을 중심으로 회전하는 것을 나타낸다.

양성자의 스핀은 수소원자 스펙트럼의 상세한 연구와 다른 많은 현상에 의해서 밝혀지고 있다. 스핀과 관련하여 자기 모멘트가 존재한다. 양성자의 자기 모멘트와 스핀은 분광학적으로 측정할 수 있는데, 정밀측정을 위해서는 자기적 방법이 사용된다. 이것은 양성자가 가변자기장 내를 운동하고 있을 때 그 핵자기 모멘트에 의해서 전류가 유도되는 현상을 이용하는 것이다. 양성자의 크기는 측정에 사용되는 현상과 방법의 차이에 따라 값도 다르기 때문에 정확하게 결정될 수 있다. 예를 들어 양성자에 10GeV(giga electron volt)를 가진 고에너지의 전자를 충돌시키면 양성자 중심 주위의 전하 분포를 나타내는 형상이 얻어지며, 이것으로부터 1.2×10^－13㎝라는 평균 반지름이 계산된다. 양성자의 구조는 핵심부와 그것을 둘러싸고 있는 중간자 구름으로 이루어져 있다고 생각된다. 비슷한 구조는 중성자에도 존재한다. 핵력의 중요부분은 다른 핵자(중성자와 양자)간에 이 구름 속의 중간자(파이온)가 교환되는 것에 기인한다.

이상의 여러 성질 외에 양성자에는 양자역학에 의해서만 기술되는 매우 중요한 특성이 있다. 즉 양성자는 파울리의 배타원리에 따른다(→ 파울리의 배타원리). 따라서 어떤 계에서 2개 이상의 양성자가 같은 양자수를 가지는 것은 불가능하다. 이 성질은 원자핵 구조에 중요한 결과를 가져오며, 양성자·중성자·전자 등 스핀을 가진 다른 입자에도 공통되는 가장 기본적인 성질의 하나이다.

이론과 응용과학에서의 양성자

양성자는 각종 화학적·물리적 현상에서 다양한 모습을 보인다. 화학 특히 모든 수용액에서 양성자는 수소 이온으로서 대단히 중요한 역할을 한다. 원자 물리학에서 양성자는 사이클로트론과 싱크로트론 등의 가속기에서 다른 원자핵에 충돌시키는 입사 입자로서 널리 이용되고 있다.

수백만 eV(전자 볼트)까지의 비교적 낮은 에너지를 가진 원자핵 충돌에서 양성자가 표적 원자핵의 정전 반발력을 이길 수 있을 정도의 충분한 에너지를 가지고 있을 경우, 양성자는 보통 원자핵 내에 침투한다. 원자핵 내에 들어가면 양성자는 원자핵을 들뜨게 하고 원자핵으로부터 다른 입자를 방출시킨다. 예를 들어 양성자가 중성자 하나를 방출시키면 표적 원자핵은, 질량수는 불변인 채로 원자번호만 하나가 더 많은 원소로 변환한다.

아주 높은 에너지에서 양성자는 핵자의 구조와 관련해 복잡한 효과를 많이 가져온다. 특히 양성자와 관련해서는 바닥상태의 양성자와 중간자로 분해하는 양성자의 들뜬 상태가 존재한다. 이 들뜬상태 중 가장 두드러진 것은 약 1,238MeV의 총에너지(정지 질량에 의한 에너지 포함)를 가지고 있고 3/2의 스핀값을 가지고 있다. 이 상태는 중간자나 다른 입자의 충돌에 의해서 생겨난다. 모든 원자핵 반응에서 양성자수와 중성자수의 합이 일정하게 유지된다는 핵자수 보존의 원리는, 현재는 물리학의 다른 기본원리와는 연관되지 않는 경험적 사실로 생각하고 있다.

1928년에 P. A. M. 디랙은 자연현상이 양전하와 음전하 사이의 특별한 대칭성을 보인다는 것을 지적했다. 이에 기초하여 그는 양전하의 전자가 존재할 수 있다고 예언했는데, 이것은 1932년에 칼 데이비드 앤더슨에 의해서 발견되었다. 디랙의 이론은 또한 음전하를 지닌 양성자가 존재할 수 있음을 예언했는데, 이것은 1955년 오윈 체임벌린, 에밀리오 세그레 등에 의해 발견되었다.

디랙 이론의 예언에 의하면 반양성자의 성질은 다음과 같다. ① 양성자와 같은 성질을 갖는다. ② 크기는 같고 부호는 반대인 전하를 갖는다. ③ 양성자와 같은 스핀을 갖는다. ④ 양성자와 반대 부호의 자기 모멘트를 갖는다. ⑤ 진공 속에 격리되었을 때 다른 입자로 자연변환되지 않는다는 의미에서 안정하다. ⑥ 반양성자와 핵자는 서로 짝으로 소멸한다. ⑦ 반양성자는 짝으로 생성된다.

성질 ④는 같은 방향의 스핀을 가진 양성자와 반양성자가 반대 방향의 자기 모멘트를 가지고 있다는 것, 즉 양성자와 반양성자를 같은 방향으로 회전하고 있는 2개의 회전구로 표시하면 남북의 자극이 엇갈리고 있다는 것을 의미한다. 성질 ⑥과 ⑦은 핵자수 보존의 원리와 모순되지 않는다. 오히려 반양성자를 '핵자수 －1의 양성자'라고 생각하면 생성과 소멸이 짝으로만 일어난다는 조건은 핵자수 보존의 직접적인 결과가 된다.

반양성자 하나와 양성자 하나가 동시에 생성되지 않으면 안 된다고 하는 사실에 의해 이 생성과정의 에너지 문턱값이 결정된다. 예를 들어 양성자­양성자 충돌에 의한 생성은 입사 입자가 실험실계에서 5.6MeV 이상의 에너지를 가질 때만 일어날 수 있다. 따라서 거대한 가속기가 필요하게 된다. 반중성자는 중성자의 성질과 관련된 일련의 성질을 가지고 있는데, 양자의 관계는 반양성자와 양성자의 관계와 비슷하다. 반중성자는 반양성자에 양성자를 충돌시켜 생성되었다.

중양성자

중양성자는 중수소의 원자핵이다. 중양성자는 중성자 하나와 양성자 하나가 느슨하게 결합한 2체계이다. 중양성자의 전하는 양성자와 같으며, 질량은 중성자와 양성자의 질량을 합한 것과 거의 같다. 중양성자의 바닥상태의 결합 에너지는 2.225MeV의 낮은 값을 보이는데, 이 값은 단색 감마선에 의한 중양성자의 광분해에 의해서 실증되었다.

중양성자의 스핀은 1인데, 이것은 중성자와 양성자의 스핀이 평형 벡터량으로서 더해진다는 것을 의미한다. 중양성자는 0.8574핵마그네턴의 자기 모멘트를 가지고 있는데, 이 값은 양성자와 중성자의 자기 모멘트의 합과 약간 다를 뿐이다. 중양성자는 원자핵 반응에서 원자핵 변환을 일으키기 위한 충격입자로서 자주 사용된다. 가속기에서 표적 중수소에 충돌하는 중양성자는 중성자원으로서 작용한다. 중양성자는 유일한 2핵자 결합계이기 때문에 그 행동은 핵력과 2핵자 사이의 반응에 관한 연구에서 중요하다.