아원자 입자와 기본 입자

아원자 입자와 기본 입자

 

아원자 입자와 기본 입자란 무엇인가?

 

원자는 화학적 수단으로 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 기본 단위가 되는 가장 작은 입자입니다. 하지만 원자는 아원자 입자라고 불리는 더 작은 구성 성분으로 이루어져 있습니다. 더 나아가 아원자 입자는 종종 다른 입자를 구성하는 기본 입자로 구성됩니다. 이번 글에서는 화학에서 다루는 주요 아원자 입자와 이를 구성하는 기본 입자에 대해 알아보겠습니다.

 

양성자

 

원자에서 가장 기본적이면서도 중요한 단위는 바로 양성자의 수입니다. 원자 구조에서 양성자는 원자핵을 구성하며 양성자의 수가 원소로서의 정체성을 결정하기 때문입니다. 양성자가 단독으로 존재하여도 원소(수소)를 이루는 원자로 간주 될 수 있습니다.

 

순 전하 : +1

 

정지 질량 : 1.67262 × 10⁻²⁷ kg

 

중성자

 

원자핵은 강한 핵력에 의해 결합된 두 개의 아원자 입자로 구성됩니다. 이 입자 중 하나는 양성자이며 다른 하나는 중성자입니다. 중성자는 양성자와 크기와 질량이 거의 같지만 순 전하가 없고 전기적으로 중성입니다. 원자핵을 구성하는 중성자의 수는 그 원자의 화학적 성질에 영향을 주지는 않지만 서로 다른 동위 원소가 존재하게 만듭니다.

 

순 전하 : 0

 

정지 질량 : 1.67493 × 10⁻²⁷ kg (양성자보다 약간 큼)

 

전자

 

원자를 구성하는 또 다른 주요 아원자 입자는 전자입니다. 전자의 크기는 양성자 및 중성자보다 훨씬 작으며 일반적으로 원자핵에서 비교적 멀리 떨어져 존재합니다. 전자는 양성자, 중성자보다 매우 가벼운데, 구체적으로 양성자 보다는 약 1863배 더 가볍습니다. 전자의 질량이 양성자 또는 중성자 대비 상대적으로 너무 가볍기 때문에 원자의 질량수를 계산할 때는 일반적으로 양성자와 중성자의 수만 고려합니다.

 

순 전하 : -1

 

정지 질량 : 9.10938356 × 10⁻³¹ kg

 

[원자 구조] 원자 질량과 원자량의 기본 개념

중성 상태의 중성자와는 달리, 전자와 양성자는 서로 반대 전하를 갖기 때문에 서로를 끌어당깁니다. 전자와 양성자의 전하는 반대이지만 전하의 크기가 같기 때문에 중성 원자는 동일한 수의 양성자와 전자를 가지고 있습니다.

 

전자는 원자핵 주위에 존재하며 실제 화학 반응에 영향을 미치는 아원자 입자입니다. 만약 원자가 전자를 잃어버리게 되면 양이온이라고하는, 즉 양전하를 띠는 화학종을 형성 할 수 있습니다. 이와 반대로 전자를 얻으면 음이온이라고하는 음전하를 띄는 화학종을 생성 할 수 있습니다. 결국, 화학은 본질적으로 원자와 분자 사이의 전자의 이동에 대해 연구하는 분야라고 볼 수 있습니다.

 

기본 입자

 

아원자 입자는 기본 입자와 합성 입자로 분류 될 수 있습니다. 여기서 합성 입자는 '복합체'로서 두 개 이상의 기본 입자들로 구성되며 기본 입자는 더 이상 작은 단위로 세분화 할 수 없습니다.

 

표준 물리학 모델에서는 다음의 입자들을 고려합니다.

 

6가지 종류의 쿼크 : 업(위), 다운(아래), 참(맵시), 스트레인지(기묘), 톱(꼭대기), 보텀(바닥)

6가지 종류의 렙톤 : 전자, 뮤온, 타우, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자

12가지의 보손 : 광자, 3개의 W 및 Z 보손, 8개의 글루온

힉스 보손

 

위에서 언급한 입자들 이외 중력자, 자기 단극자등이 제안되어 연구중입니다.

 

위의 구성에 따르면 원자를 구성하는 아원자 입자들은 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

 

양성자 = 2 개의 업 쿼크 + 1 개의 다운 쿼크
중성자 = 2 개의 다운 쿼크 + 1 개의 업 쿼크
전자 = 렙톤

 

즉, 전자는 아원자 입자이자 기본 입자이며 렙톤입니다. 이에 반해 양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성된 아원자 복합 입자이며 중성자는 하나의 업 쿼크와 두 개의 다운 쿼크로 구성된 아원자 복합 입자라 할 수 있습니다.

 

참고

 

1. Britannica - Subatomic particle

2. Thoughco - The most basic unit of matter : The atom