핵의 구조

핵의 구성

핵 속에는 양성자와 중성자가 있다. 이 둘의 질량은 비슷하고 양성자는 +의 전하를 가지고 있고, 중성자는 중성이다. 둘을 통틀어서 핵자(nucleon)라고 한다.

위 그림에서 질량을 kg과 같이 MeV의 단위로 나타낸 것은 다음과 같이 특수상대성이론에 의해 질량과 에너지의 등가성을 이용한 것이다. 예를 들어 양성자의 질량에너지는 \[ m_p c^2 = 1.672~621 \times 10^{-27} ~\mathrm{kg} \cdot (2.997~924~58 \times 10^{8} \mathrm{m/s})^2 = 1.503~277 \times 10^{-10} ~\mathrm{J} = 938.272 ~\mathrm{MeV} \] 이다. 이들 질량이나 핵의 질량을 때때로 원자질량단위로 나타내기도 한다. 실제로 위 그림에서 나타낸 것처럼 중성자가 양성자보다 약간 무거운데 이의 질량차이는 \[ (m_n-m_p)c^2=1.29 ~\mathrm{MeV} \] 로 이는 이들 질량의 $\frac{1}{1,000}$ 정도로 미미하다. 그리고 이들 질량은 원자를 같이 형성하고 있는 전자의 질량 \[ m_e c^2 = 0.511 ~\mathrm{MeV} \] 보다 약 2천 배 가까이 더 무겁다.

핵을 구성하는 핵자(양성자+중성자)의 수는 원자나 원자핵의 질량을 거의 결정한다. 따라서 이를 질량수라 하고 $A$ 로 표기하자. 한편 핵의 양성자 수는 동일한 수의 전자를 붙잡아서 원자가 되었을 때 원자번호가 되어 이를 $Z$ 로 표기하자. 따라서 특정한 원자핵은 질량수 $A$와 원자번호 $Z$로 결정되며 이때 중성자의 수 $N$은 $A-Z$ 이다.

동위원소와 동중원소

$Z$개의 양성자가 전자와 결합해서 이루어진 중성의 원자는 화학적인 성질이 전자의 수에 의해 결정된다. 질량수가 다르더라도 같은 수의 $Z$가 만드는 원자들은 단지 질량만이 차이가 있고, 화학적으로는 거의 식별이 되지 않는다. 간단한 예로 양성자 하나와 전자 하나로 이루어진 수소($^{1}_{1}\mathrm{H}~$)와 양성자와 중성자가 각각 하나씩인 핵이 역시 전자 하나와 결합한 수소($^{2}_{1}\mathrm{H}~$)가 있다. 이들은 모두 산소와 결합해서 같은 물 분자를 만들 수 있다. 이러한 원소들을 동위원소(isotope)라고 한다. 수소의 경우는 이들의 질량이 상대적으로 크게 차이나서 $^{2}_{1}\mathrm{H}~$를 $^{2}_{1}\mathrm{D}~$, $^{3}_{1}\mathrm{H}~$를 $^{3}_{1}\mathrm{T}~$처럼 별도의 원소기호로 쓰기도 하고 각각을 중수소(heavy hydrogen, deuterium), 삼중수소(tritium)라고 부른다.

한편 $A$가 같고 구성이 다른 원자핵들은 이들이 이루는 원자를 동중원소(isobar)라고 한다. 동중원소는 화학적인 성질은 다르지만 질량이 거의 같다. 이러한 예로서 질량수가 모두 130으로 같은 $^{130}_{~~52}\mathrm{Te}$, $^{130}_{~~54}\mathrm{Xe}$, $^{130}_{~~56}\mathrm{Ba}$ 등이 있다.

[질문1] $^{2}_{1}\mathrm{H}~$와 $^{3}_{1}\mathrm{H}$, $^{3}_{2}\mathrm{He}$, $^{16}_{~ ~ 8}\mathrm{O}$, $^{232}_{~ ~ 90}\mathrm{Th}$, $^{235}_{~ ~ 92}\mathrm{U}$의 핵이 가진 양성자 수, 중성자 수, 질량수, 전하량은 각각 얼마인가?

[질문2] 자연에 존재하는 탄소의 모든 동위원소 각각의 구성요소와 지구에서의 존재비를 조사하라.

_ 특수상대성이론_ 원자질량단위_ 전하