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How big is 양성자?

1.68 femtometry!

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양성자

양성자는 양전하를 띤 입자로, 모든 원자의 중심에 있는 원자핵 안에서 발견된다. 지름은 약 1.7펨토미터로, 전하 반지름(전하의 평균 반지름)의 2배로 잰 값이다. 1펨토미터는 10억분의 1미터의 100만분의 1(10−15미터)이다.

크기

양성자에는 단단한 표면이 없다. 양성자는 쿼크라는 더 작은 입자 세 개, 곧 위 쿼크 두 개와 아래 쿼크 한 개가 모인 구름으로, 이들은 강력으로 묶여 있다. 강력은 양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 이루게 하는 바로 그 힘이다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 제시하는 전하 반지름의 권장값은 0.84075펨토미터이다. 불확도는 1% 미만이다.

양성자의 크기를 재는 주된 방법은 두 가지이다. 하나는 전자를 양성자에 쏘아 어떻게 튕겨 나오는지 기록하는 것이다. 다른 하나는 수소 원자가 내는 빛을 측정하는 것이다. 양성자가 점이 아니기 때문에 수소 원자의 에너지 준위가 아주 조금 이동한다.

크기 비교

  • 원자핵 안에서 양성자의 짝인 중성자는 크기가 거의 같다. 같은 방식, 곧 자성이 퍼져 있는 정도로 재면 두 반지름의 차이는 2% 미만이다.
  • 양성자 두 개와 중성자 두 개로 이루어진 헬륨 원자핵은 지름이 약 3.4펨토미터로, 양성자 하나의 지름의 2배이다.
  • 양성자 하나와 그 둘레의 전자 하나로 이루어진 수소 원자는 지름이 약 0.1나노미터로, 그 안의 양성자 지름의 대략 6만 배이다. 1나노미터는 10억분의 1미터이다.
  • 양성자를 농구공 크기로 확대한다면, 그 둘레의 수소 원자는 지름이 약 15킬로미터일 것이다.
  • 양성자 약 600억 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터에 해당한다.

양성자 반지름 퍼즐

2010년 이전에는 두 방법 모두 반지름이 약 0.88펨토미터라는 값을 내놓았다. 그해 스위스 파울 셰러 연구소의 연구팀이 전자를 뮤온으로 바꾼 수소 원자를 측정했다. 뮤온은 전자와 비슷한 입자이지만 약 200배 무겁다. 그래서 양성자에 훨씬 더 가까이서 돌며, 양성자의 크기에 훨씬 더 민감하다. 연구팀이 얻은 값은 0.84184펨토미터로, 약 4% 작았다. 측정 오차 탓으로 돌리기에는 너무 큰 차이였다.

물리학자들은 이 불일치를 양성자 반지름 퍼즐이라고 불렀고, 일부는 이것이 알려지지 않은 자연의 힘의 징후이기를 바랐다. 2019년 미국 버지니아주의 제퍼슨 연구소에서 진행된 PRad 실험은 새로운 방식의 전자 산란 측정을 보고했는데, 이 측정에서는 0.831펨토미터가 나와 더 작은 값과 일치했다. 2026년에는 독일 막스 플랑크 양자광학 연구소가 일반 수소를 정밀하게 연구한 결과도 이 값과 일치했으며, 연구진은 이 퍼즐이 해결되었다고 설명한다.

모든 원소의 구성 요소

원자핵 속 양성자의 수가 그 원자가 어떤 원소인지를 결정한다. 양성자가 하나인 원자는 모두 수소이고, 여섯 개인 원자는 모두 탄소이다. 양성자의 질량은 전자의 1,836배이므로, 원자핵 속 양성자와 중성자가 원자 질량의 거의 전부를 차지한다.

출처

Rozmiar Wszechświata > 양성자

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