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입자를 붙드는 힘

양성자와 중성자는 원자핵 내부에 가까이 모여 있는데, 원자 전체로 보면 지름 10만분의 1 이내의 매우 좁은 구역에 모여 있는 셈이다. 비교하자면, 원자의 크기가 축구장 정도라면 원자핵은 모래알 정도의 크기이고, 원자가 지구만 하다면 원자핵은 10km 정도가 된다. 그런데 양성자들끼리는 같은 극성을 띠고 있으므로 서로 밀어내는 힘이 작용해야 한다. 그렇다면 대체 어떻게 해서 양성자들이 원자핵 내부에 뭉쳐있는 것일까?

이 현상은 1934년 일본의 물리학자 유가와 히데키가 제시한 ‘강한 핵력’이라는 개념으로 설명할 수 있다. 그는 양성자와 중성자가 중간자(中間子, meson)를 주고받는데 그 중간자가 힘을 운반한다고 설명했다. 중간자는 수억 분의 1초 정도만 존재하는 입자이다.

중력이나 전자기력과 달리 강한 핵력의 크기는 거리의 제곱에 반비례하지 않는다. 핵력은 전자기력의 백배 정도에 이르는 매우 큰 힘이지만 대략 13cm 정도의 거리에서는 갑자기 사라지는 특성이 있다. 그러나 원자핵 정도의 작은 범위 안에서는 양성자끼리 밀어내는 힘을 압도할 정도의 세기이다. 그런데 강한 핵력은 양성자들끼리 부딪힐 정도로 강하지는 않아서 양성자들이 적당한 거리를 유지하도록 한다. 결국 강한 핵력이 미치는 범위가 원자핵의 크기를 결정한다고 볼 수 있다.

프랑스 카테놈(Cattenom)에 있는 원자력 발전소

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파이 중간자(pi-meson), 혹은 파이온(pion)이라 불리며 원자핵이 존재하도록 해주는 이 입자는 1947년 영국의 세실 파월, 브라질의 세자레 라테스, 이탈리아의 주세페 오키알리니가 우주선(cosmic ray)을 연구하는 과정에서 발견되어 1949년 유가와 히데키에게 노벨 물리학상을 안겨준다.

우라늄-238의 방사능 연쇄 핵분열

방사성 동위원소는 붕괴되어 다른 원소가 되는데, 이렇게 만들어진 원소도 붕괴될 수 있다. 동위원소의 절반이 붕괴되는 데 걸리는 시간을 반감기(半減期)라고 한다. 우라늄-238은 14단계의 붕괴를 거쳐 최종적으로 납-206이 된다.