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구성 입자와 힘

대부분의 물질은 분자덩어리로 이루어져 있는데, 이것은 비교적 쉽게 쪼개진다. 그런데 분자는 끊어지기 어려운 화학 결합에 의해 연결된 원자로 구성되어 있다. 각각의 원자는 더 작은 입자인 전자와 핵으로 이루어져 있다. 이 입자들은 하전되어 있고, 이들 사이의 전기적 힘에 의해 함께 원자를 구성한다. 이 더 작은 입자를 쪼개려면 더 많은 에너지가 드는데, 그결과 생성되는 것은 새로운 원자구성입자들이다.

원자는 대부분 빈 공간으로 이루어져 있다. 핵은 원자의 양으로 하전된 중심이고, 원자 질량의 대부분이 들어 있다. 핵은 양으로 하전된 양성자와 전하를 갖고 있지 않는 중성자로 되어 있다. 이 양성자와 중성자를 합해서 핵자라고 부른다. 양성자·중성자, 그리고 그들을 둘러싸고 있는 전자는 수명이 긴 입자이다. 다른 원자구성입자들은 이 3종류의 입자와 결합된 상태로 발견되는데, 만들려면 매우 큰 에너지가 들며 수명이 아주 짧다.

모든 원자의 크기는 대략 같아 원자의 반지름은 1~2Å(옹스트롬)이다. 원자의 전체 크기에 비해서 핵은 더 작다. 그 비는 공깃돌과 축구장의 비와 같다. 부피로 보면 핵은 원자 공간의 10^－14밖에 차지하고 있지 않다. 양성자는 단단하고 양으로 하전되어 있는 입자이다. 반면에 중성자는 전하를 갖고 있지 않으며, 질량은 양성자와 거의 같다. 가장 가벼운 핵은 1개의 양성자로 된 수소의 핵으로 이것은 전자보다 1,836배나 더 무겁다.

전자는 원자 내에서 복잡한 행동을 보이지만, 몇 가지 매개 변수에 의해서 완전하게 기술될 수 있다. 전자는 전하, 질량, 스핀, 자기 모멘트 등의 고유한 성질을 가지고 있다. 모든 전자는 같은 성질을 가지고 있다. 전자는 존재하는 가장 가벼운 입자로서 더 작은 것으로 쪼개질 수 없기 때문에 절대적으로 안정하다. 전자의 전하와 질량은 아래표에 나와 있다. 전자는 전자기력뿐만 아니라 중력과 약력(핵의 방사성 붕괴로 나타남)의 영향을 받는다.

원자가 가지는 대부분의 성질은 핵을 둘러싸고 있는 전자의 행동에 의해서만 좌우된다. 원자의 화학적 성질은 핵 주위의 전자구름이 놓여 있는 상태에 달려 있다. 한 원소의 원자는 다른 원소의 원자와 전자의 수가 다르다. 원자핵의 특성은 그 속에 들어 있는 양성자와 중성자의 수에 의해서 결정된다. 핵은 전하와 질량 외에 스핀과 자기 모멘트를 가질 수 있다. 핵자 사이의 힘에는 전자에 작용하는 3가지 힘뿐만 아니라 강력도 포함되어 있는데, 이 힘은 다른 어떤 힘보다 훨씬 더 강하다.

강력 때문에 핵결합 에너지는 원자 내에서 전자의 결합 에너지보다 100만 배나 더 강하다. 따라서 핵변환시에 방출되는 에너지량은 원자 내의 전자배열이 바뀔 때 나오는 에너지보다 크다.

핵 속의 양성자와 중성자는 양자역학의 법칙에 따라 기술된다. 각각의 양성자와 중성자도 그 자체의 내부 구조를 갖고 있는데 이 구성성분을 쿼크라고 한다. 더 큰 단위의 물질을 구성할 수 있는 입자와 달리 쿼크는 핵자로부터 분리될 수 없고 고립상태에서 연구될 수 없다. 쿼크 사이에서 작용하는 강력은 너무 강하기 때문에, 그들은 결코 완전하게 분리될 수 없다.

쿼크를 포함하고 있는 입자를 전체적으로 하드론(강입자)이라고 부른다. 강입자는 중입자와 중간자로 분류된다. 중입자는 3개의 쿼크로 구성되어 있는데 그 예로는 양성자와 중성자가 있다. 중간자는 2개의 쿼크를 가지고 있는데 여기에서 대부분의 핵력이 나온다.

핵자를 제외한 이 모든 입자는 만들어진 후 불과 몇 분의 1초 안에 붕괴되고 만다. 원자구성입자를 가르는 더 넓은 부류가 하나 있는데, 이것은 경입자이다. 전자와 중성미자는 경입자이다. 이것들은 어떤 검지가능한 내부 구성성분을 가지고 있지 않으며, 자연의 참된 기본 입자라고 볼 수 있다. 중성미자는 질량이 없거나 작은 하전되지 않은 입자로서, 핵의 방사성 붕괴과정중에 생성된다.