핵의 구조

핵자들의 결합

제 3의 새로운 힘이 존재한다.

photo

유카와(Hideki Yukawa: 1907~1981)_핵력을 발견하여 일본인으로서는 최초로 1949년 노벨상을 받았다.

핵이 핵자들끼리 뭉쳐서 형성되기 위해서는 당시까지 알려졌던 중력이나 전자기력이 아닌 새로운 힘의 도입이 필요해졌다. 이 힘은 양성자끼리의 정전기적인 반발력을 극복하기 위해서는 핵의 크기 정도에서 미치는 힘이 이보다 훨씬 커야 한다. 이 새로운 힘은 일본의 물리학자 유카와(Hideki Yukawa)에 의해 1935년 발견되었고, 이를 핵력이라 한다.

핵력은 양성자와 중성자를 분간하지 않고 인력으로 작용한다.

핵력의 입장에서 양성자나 중성자는 전적으로 동일해 보인다. 질량의 차이가 약간 있는 것은 전하를 가지거나 가지지 않은 차이에서 오는 것으로 보인다. 이 힘의 근원은 양성자나 중성자를 구성한다고 믿어지는 쿼크들 끼리 작용하는 힘이다. 처음에 유카와에 의해 이 힘이 제안되었을 때에는 중간자라는 새로운 종류의 입자가 힘을 매개하는 것으로 생각하였으나 핵력의 구조를 설명하는 양자색역학은 글루온(gluon)이라는 입자를 도입하여 이를 보다 정교하게 설명하고 있다.

핵력은 가까운 거리까지만 작용하고 멀어지면 급격하게 힘의 크기가 약해진다.

핵력이 중간자라는 질량을 가진 입자의 교환에 의해 생겨나기 때문에 중력이나 전자기력의 거리의 제곱에 반비례하는 힘과는 달리 거리가 멀어지면 지수함수적으로 힘의 크기가 줄어드는 특성을 갖는다. 두 핵자 사이의 거리 $r$에 대한 위치에너지는 유카와 퍼텐셜(Yukawa potential)로 다음과 같다.. $$\begin{equation} \label{eq1} U(r) = - g^2 \frac{e^{-r/r_c}}{r} \end{equation}$$ 여기서 $$r_c = \frac{\hbar}{m_\pi c} \approx 1.5 ~ \mathrm{fm}$$ 이고, $m_\pi$은 중간자의 하나인 파이온의 질량이다. 매개되는 힘의 크기를 결정하는 $g$는 $$g^2 \approx 15 \hbar c$$ 으로 주어진다. 따라서 이 힘은 가까운 fm 정도의 거리에서는 양성자의 정전기적 반발력보다 훨씬 크지만 거리가 멀어지면 급격하게 줄어든다.

핵력은 다른 상호작용에 비하여 제일 강하므로 "강한상호작용"이라고도 한다.

자연에서 다른 것처럼 보이는 온갖 종류의 힘을 분석해보면 실제로 기본적인 입자가 가지고 있는 몇 가지 종류의 상호작용의 결과라는 것을 알게 된다. 질량을 가진 입자들끼리 작용하는 중력을 중력상호작용이라고 하고, 전하를 가진 입자들끼리 작용하는 전자기력을 전자기상호작용이라고 한다. 마찬가지로 핵력은 작용하는 힘의 크기가 가장 크므로 강한상호작용(strong interaction)이라 한다.

핵력을 매개하는 중간자의 존재가 필요하다.

핵자가 중간자라는 새로운 종류의 입자를 서로 주고받으면서 이 과정에서 인력이 생겨나는 것으로 이해된다. 이는 질량을 가진 입자가 중력자를, 전하를 가진 물체가 광자를 매개로 하는 과정과 유사하다.

핵력에 의해 양성자들과 중성자들이 핵을 형성하게 된다.

핵력이 가까운 거리에만 크게 작용하고, 양성자끼리는 먼 거리에서 반발력이 우세해지므로 이것이 핵이 만들어지는 양상을 결정한다. 즉 핵은 그 크기가 커지면 멀리 있는 양성자의 수 또한 많아져서 불안정해진다. 따라서 지구상에서 발견되는 핵의 핵자수는 많아야 240 개 정도이다.

핵자는 딱딱한 구로 생각할 수 있어서 한계이상 가까워질 수 없다.

핵자는 그 크기가 0.7 fm 정도 되는 딱딱한 구로 생각할 수 있어서 이 범위까지 다가오면 아주 강한 힘으로 밀어낸다. 따라서 $\eqref{eq1}$ 식의 핵력은 이보다 먼 거리에서만 작용한다. 또한 핵력은 거리가 멀어짐에 따라 급격하게 줄어들어 2.0 fm 이상이 되면 거의 0 이 된다. 즉 0.7 ~ 2.0 fm의 범위에만 나타나는 강한 인력으로 나타나는 것으로 볼 수 있다.

_ 전하

중간자

핵력, 즉 강한상호작용을 매개한다.

유카와에 의해 제안된 파이온(pion, $\pi$)은 여러 중간자 중의 하나로서 이 중에서 질량이 제일 가벼운 것이다. 일반적으로 중간자(meson)는 핵력을 매개하면서 그 크기는 핵자의 2/3 정도이다. 이들의 스핀은 0이거나 1을 가져서 보손(boson)의 통계를 따르고, 모두 불안정하여 짧은 시간에 붕괴한다. 이중에서 가장 가벼운 것이 파이온($\pi^0$)으로 135 MeV의 질량을 가지고 있다. 전하량은 +e, 0, -e를 가지는 세 종류가 있어서 이를 각각 $\pi^+, \pi^0, \pi^-$으로 표기한다. 중간자는 현재까지 발견되거나 예견되는 것이 140개 정도로서 이 중에서 가장 무거운 것은 9.46 GeV의 질량을 가진 업실론(upsilon, $\Upsilon$)이다.

중간자는 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크의 결합상태이며, 쿼크로 되어 있는 입자들을 통칭하는 강입자(hadron)의 하나이다. 강입자라는 이름은 이것이 주로 강한상호작용을 한다는 의미지만 실제로 전하를 가지고 있는 경우에는 전자기상호작용을 하고, 또한 약한상호작용도 한다. 강입자의 다른 종류로는 쿼크 셋으로 되어 있는 중입자(baryon: 重粒子)가 있다. 우리의 용어로 '重'입자라 한 것은 무거운 입자라는 뜻이다. 이렇게 쿼크 둘로 된 중간자가 쿼크 셋으로 된 중입자 사이에 핵력을 매개하는 것으로 볼 수 있지만 보다 근본적으로는 쿼크들이 글루온(gluon)이라는 입자에 의해 힘이 매개된 결과로 볼 수 있다. 핵력, 보다 포괄적인 의미로의 강한상호작용을 이들 쿼크와 글루온 사이의 상호작용으로 설명하는 이론체계가 양자색역학(quantum chromodynamics: QCD)이다.

처음 유카와는 핵력을 매개하는 입자를 'mesotron'이라고 명명하였으나 하이젠베르그가 'meson'으로 수정하였다. 중간자는 유카와가 예견한 질량에 가까운 값을 가진 것으로 1947년 발견되어 유카와는 그로부터 2년 후인 1949년 일본인 최초로 노벨물리학상을 수상했다. 그후 많은 종류의 중간자가 발견되어 처음 발견된 입자를 파이온으로 명명하고, 중간자는 그러한 족속의 이름이 되었다. 아울러 양성자와 중성자가 속하는 중입자도 수많은 종류가 발견되어 이들이 모두 보다 더 근본적인 입자로 되어 있다는 것이 명확해졌다.

_ 하이젠베르그_ 약한상호작용_ 보손_ 전하_ 스핀