양성자

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양성자(陽性子, 영어: proton)는 +1e의 전하를 가지는, 원자의 구성 입자로 중성자와 함께 원자핵을 이루며, 이 둘을 “핵자”라고도 부른다. 모든 원자의 핵에는 하나 이상의 양성자가 포함되어 있고 이 양성자의 개수가 원소의 성질을 결정하는데, 각 원소가 각자 다른 수의 양성자를 가지기 때문에 양성자의 개수를 원소의 고유한 원자 번호로 사용한다. 양성자의 영문 표기인 proton은 그리스어로 “첫 번째“를 뜻하며, 이 명칭은 1920년에 어니스트 러더퍼드에 의해 수소 원자핵의 명칭으로써 부여되었다. 러더퍼드는 수소 원자핵 (가장 가벼운 원자핵)을 질소 원자핵의 충돌을 통해 얻을 수 있다는 사실을 1919년에 발견했고, 이에 따라 양성자가 질소를 비롯한 모든 무거운 원자핵을 구성하는 기본 입자의 후보라 여겼다.

소립자 물리학의 현대 표준 모형에서 양성자는 강입자의 일종이며, 또 다른 핵자인 중성자와 같이 세 개의 쿼크(2개의 위 쿼크와 1개의 아래 쿼크)로 이루어져 있다. 쿼크를 제외한 부분의 질량은 양성자의 질량의 1%정도에 불과하다.[1] 양성자 질량의 남는 부분은 쿼크의 역학적 에너지와 쿼크를 모아주는 글루온에 의한 강한 상호작용의 에너지에 의한 것이다. 양성자는 기본입자가 아니기 때문에 물리적인 크기를 갖는다. 양성자의 반지름은 약 0.84 fm이다.[2]

충분히 낮은 온도에서 자유 양성자는 전자와 결합한다. 하지만 그렇게 묶인 양성자의 성질이 변하지는 않는다. 물질 사이를 빠르게 움직이는 양성자는 전자나 원자핵과의 상호작용으로 인해 원자의 전자구름에 붙잡힐 때까지 속도가 느려진다. 그 결과로 생성되는 것이 수소 화합물의 일종인 양자화 된 원자이다. 진공 상태에서 자유전자가 존재한다면 충분히 느린 양성자가 각각의 자유전자를 집어가 화학적으로 유리기상태인 중성 수소 원자가 된다. 이러한 “자유 수소 원자”들은 충분히 낮은 에너지를 갖는 다른 원자와 화학반응을 일으키는 경향이 있다. 두 자유 수소 원자가 서로 반응하면 그것들은 성간 공간의 분자 구름에 가장 흔한 분자인 중성 수소 분자(H2)가 된다. 지구상에 존재하는 이 분자는 대형 강입자 충돌기를 활용한 실험과 같은 강입자 물리 실험 등에서 가속을 위해 쓰이는 양성자의 좋은 공급원으로 쓰인다.

원자의 주기율표는 화학적으로 동일한 성질의 원자들을 묶은 것이다. 주기율표의 성질은 양성자와 중성자의 개수에 의해 결정된다. 질적인 성질을 양적인 성질로 바꾼 것이라 할 수 있다.

쿼크의 발견으로, 양성자가 기본 입자가 아니라 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크강한 상호작용으로 묶인, 복합 입자임이 밝혀졌다. 하이젠베르크에 의해 제안된 아이소스핀 1/2을 가지며, 같은 핵자중성자와 쌍을 이룬다.