How big is 중성자?
1.73 femtómetros!
중성자는 전하가 없는 입자로, 거의 모든 원자의 원자핵 안에 양성자와 함께 있다. 지름은 약 1.7펨토미터로, 자기 반지름의 2배로 잰 값이다. 자기 반지름은 중성자의 자성이 어떻게 퍼져 있는지를 나타낸다. 1펨토미터는 10억분의 1미터의 100만분의 1(10−15미터)이다.
크기
중성자에는 단단한 표면이 없다. 중성자는 쿼크라는 더 작은 입자 세 개, 곧 위 쿼크 한 개와 아래 쿼크 두 개로 이루어져 있으며, 이들은 강력으로 묶여 있다. 강력은 중성자와 양성자를 묶어 원자핵을 이루게 하는 바로 그 힘이다. 위 쿼크는 양전하를, 아래 쿼크는 음전하를 띠며, 모두 합치면 전하가 서로 상쇄된다.
양성자의 크기는 전하가 퍼져 있는 정도로 재지만, 중성자에는 이 방법이 통하지 않는다. 중성자는 양전하와 음전하가 서로 다르게 퍼져 있어서, 전하 크기를 나타내는 통상적인 척도가 음수로 나오는데, 음수는 크기가 될 수 없는 값이다. 그래서 물리학자들은 대신 중성자의 자성을 이용한다.
중성자는 아주 작은 자석처럼 행동한다. 전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹(PDG)은 이 자성의 평균 반지름을 0.864펨토미터로 제시하며, 불확도는 약 1%이다. 산란 실험도 중성자와 양성자의 크기가 거의 같음을 보여 준다.
크기 비교
- 중성자는 양성자와 크기가 거의 같다. 자성을 기준으로 같은 방식으로 재면 두 반지름의 차이는 2% 미만이다.
- 중성자 두 개와 양성자 두 개로 이루어진 헬륨 원자핵은 지름이 약 3.4펨토미터로, 중성자 하나의 지름의 약 2배이다.
- 중성자를 농구공 크기로 확대한다면, 가장 흔한 종류의 우라늄의 원자핵은 중성자 146개와 양성자 92개를 품고 있으며 지름이 약 1.6미터일 것이다.
- 중성자 약 600억 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터에 해당한다.
중성자가 발견된 과정
1930년 발터 보테와 헤르베르트 베커는 알파 입자, 곧 헬륨 원자핵을 금속인 베릴륨에 쏘았다. 베릴륨은 강하고 투과력 있는 복사선을 내놓았는데, 일부 물리학자들은 이를 빛과 같은 종류의 고에너지 복사선으로 보았다. 1932년 영국 케임브리지의 캐번디시 연구소에서 연구하던 제임스 채드윅은 이 복사선이 양성자와 질량이 거의 같은 중성 입자로 이루어져 있음을 밝혔다. 어니스트 러더퍼드가 원자핵 안에 그런 입자가 있을 수 있음을 시사한 바 있었고, 이 입자에는 중성자라는 이름이 붙었다.
중성자는 전하가 없으므로 원자핵의 양전하가 밀어내지 않는다. 그래서 중성자는 가장 무거운 원자핵에도 다가가 쪼갤 수 있으며, 채드윅의 발견은 우라늄을 쪼개는 길을 열었다. 채드윅은 이 발견으로 1935년 노벨 물리학상을 받았다.
홀로 있는 중성자
원자핵 밖에서 중성자는 오래 가지 못한다. 평균적으로 약 15분(878초) 동안 살아남은 뒤 양성자, 전자, 그리고 반중성미자라는 입자로 붕괴한다. 중성자는 양성자보다 조금 무거우며, 그 차이는 약 0.14%이다.
출처
- Summary Tables: Baryons. Particle Data Group, 2025.
- Measurement of the neutron charge radius and the role of its constituents. Atac et al., Nature Communications, 2021.
- The proton radius and its relatives – much ado about nothing?. Ulf-G. Meißner, plenary talk at the International Nuclear Physics Conference, 2022.
- Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- James Chadwick: Facts. Nobel Prize Outreach.
- James Chadwick: Biographical. Nobel Prize Outreach.
- Walther Bothe: Facts. Nobel Prize Outreach.
- Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
- Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.