양성자

물리학, 물리화학, 강입자, 바리온, 핵자 분류
강입자
메손
파이온 · 케이온
바리온
양성자 · 중성자 · 펜타쿼크

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주요 특성
아이소스핀
원자 구성 요소
원자핵
전자
핵자
양성자
중성자
업 쿼크 + 다운 쿼크 + 참 쿼크
※: 추정 2022년 8월 17일 네이처지 참고

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  1. 개요
  2. 표기법
  3. 물리적 특성
    3.1. 질량과 내부 구조
    3.2. 수명
  4. 화학적 특성
    4.1. 원소와의 관계
    4.2. 수소 이온
    4.3. 수소핵자기공명법
  5. 개요
    양성자 / proton

양전하를 가진 핵자.

  1. 표기법
    양자(陽子)로도 불리지만, 양자(量子)와의 동음이의어 때문에 잘 사용되지 않는다.

수소 양이온이 바로 양성자이다. 정확히는, 가장 흔한 동위원소인 경수소가 전자를 잃고 양이온이 되면 남는 것이 양성자이기 때문에, 경수소 양이온을 양성자라고 부를 수 있다.

다른 수소 동위원소로는 중수소와 삼중수소가 있으며, 이들의 이온은 각각 듀터론(Deuteron), 트라이톤(Triton)이라고 부른다. 이들은 양성자가 아니다. 모든 수소 양이온을 통칭하려면 하이드론(Hydron) 또는 “수소 이온(hydrogen ion)”이라고 부르면 된다.

기호는 p+, uud 등으로 표기된다.

  1. 물리적 특성
    양성자는 양전하를 가지고 있으며, 전자와는 전하량이 같고 부호는 반대이다. 질량은 약 1.67×10^-27 kg 또는 938 MeV로, 전자(0.511 MeV)보다 약 1,836배 무겁다.

2019년 수소 원자의 램 이동을 통해 양성자 크기를 0.833 ± 0.01 fm로 측정했는데, 이 값은 뮤온 수소 원자의 선스펙트럼으로 측정한 값과 일치한다. 그러나 양성자의 크기를 0.88 fm로 측정한 결과도 있으며, 이 차이는 2024년 기준으로 아직 해결되지 않았다.

3.1. 질량과 내부 구조
양성자는 세 개의 쿼크로 이루어진 중입자로, 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크, 그리고 이들을 이어주는 다수의 글루온과 쿼크-반쿼크 쌍들로 구성되어 있다. 쿼크의 질량과 글루온의 질량(= 0)을 합쳐도 13 MeV/c²를 넘지 않는데, 이는 양성자 질량에 비해 매우 작다. 상대성 이론에 따르면, 계(system)의 총 질량은 입자들의 에너지와 운동량을 모두 합친 값으로 얻어지며, 이런 논리로 양성자의 질량은 대부분 글루온에서 온다.

양성자 내부에는 세 개의 쿼크만 존재하는 것이 아니라, 글루온들이 상호작용하면서 쿼크들을 생성하고 소멸시키며 복잡한 구조를 형성한다. 따라서 양성자 내부에는 업 쿼크와 다운 쿼크 외에도 다양한 쿼크들이 존재한다. 양성자를 이루는 쿼크들을 일반적으로 발렌스 쿼크(valence quark)라 부르며, 이들의 분포를 쪽입자 분포 함수(PDF)라고 한다. 하지만 이 PDF들은 아직 정확히 예측되지 않았으며, 주로 실험에서 측정된 값들을 사용한다.

2022년 네이처지에 따르면, 양성자 내부의 참 쿼크 존재 가능성을 LHCb와 EMC 데이터를 통해 검증한 연구가 발표되었다.
3.2. 수명
양성자는 단독으로 존재해도 안정적이며, 표준 모형에 따르면 붕괴되지 않는다. 대통일 이론에서는 양성자가 파이온과 양전자로 붕괴될 것으로 예측되지만, 아직 관측된 사례는 없다. 양성자가 붕괴할 경우 수명은 최소 1.29×10^34년, 붕괴하지 않을 경우 영원히 존재할 것으로 여겨진다.

양성자의 붕괴 여부는 우주 멸망 시나리오 중 하나인 빅 프리즈에서 중요한 역할을 한다. 만약 양성자가 붕괴하지 않는다면, 원자는 영원히 존재할 수 있으며, 우주는 철 덩어리들로 가득 찰 것이다. 반면, 양성자가 붕괴하면 우주의 모든 물질이 사라지고, 마지막 블랙홀이 소멸한 후 우주는 광자만 남게 된다.

  1. 화학적 특성
    4.1. 원소와의 관계
    원자의 성질은 양성자의 수에 크게 영향을 받는다. 원자핵 내 양성자와 중성자의 개수에 따라 원자의 물리적 성질이 달라지며, 양성자의 수가 바뀌면 성질 자체도 달라진다. 원자 번호는 해당 원소가 가지는 양성자 수를 나타낸다.

핵융합 기술이 발전하면 양성자를 조립해 원하는 원소를 만드는 것도 가능할 수 있다. 현재 기술로는 실현 불가능하다.
4.2. 수소 이온
화학에서 수소 이온(H+)은 일반적으로 산을 나타낸다. pH는 용액 내 H+ 농도로 산성을 나타내며, 실제로는 수소 이온이 물 분자와 결합해 형성되는 옥소늄 이온(H3O+)의 농도를 의미한다.
4.3. 수소핵자기공명법
Proton Nuclear Magnetic Resonance(PNMR)는 외부 자기장에 의해 정렬된 수소의 자기장 변화를 통해 물질의 구조를 규명하는 방법이다. 구조 파악에 유용하며, 탄소 NMR과 구분하기 위해 1H-NMR로 표기되기도 한다.

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