원자핵 구조
원자핵이 양성자와 중성자(핵자)로 구성되며 강한 핵력으로 결합되어 있음을 이해하고 핵번호·질량수를 구분한다.
원자의 중심에 있는 아주 작고 무거운 덩어리로, 양성자와 중성자(핵자)가 강한 핵력으로 뭉쳐 있습니다. 양성자 수가 원자번호 , 핵자 수 전체가 질량수 입니다.
원자가 축구장이라면 핵은 그 한가운데 놓인 쌀알 하나 정도입니다. 그런데 원자 질량의 99.9% 이상이 그 쌀알에 몰려 있습니다.
쉽게 말하면
핵을 나타낼 때는 원소 기호의 왼쪽 위에 질량수, 왼쪽 아래에 원자번호를 씁니다.
는 양성자 수(=원자번호), 은 중성자 수, 는 둘을 합친 핵자 수입니다. 가 그 원소가 무엇인지를 정하고, 이 달라지면 같은 원소의 동위 원소가 됩니다. 화학적 성질은 전자 수, 즉 가 정하므로 동위 원소끼리는 화학적으로 거의 똑같이 행동하지만, 핵의 안정성은 전혀 다를 수 있습니다.
핵물리와 방사능에서 봤듯이, 양성자들끼리는 전기적으로 밀어냅니다. 그런데도 핵이 뭉쳐 있는 것은 강한 핵력 덕분입니다. 강한 핵력은 전기력보다 훨씬 세지만 핵 크기 정도의 아주 짧은 거리에서만 작동하고, 전하와 무관하게 양성자·중성자를 가리지 않고 끌어당깁니다.
이 둘의 힘겨루기가 핵의 안정성을 정합니다. 핵력은 바로 옆 핵자만 붙잡지만 전기적 반발은 핵 안의 모든 양성자 쌍 사이에서 쌓입니다. 그래서 핵이 커질수록 반발 쪽이 유리해집니다. 가벼운 핵은 일 때 안정하지만, 무거운 핵은 양성자 사이를 벌려 놓을 중성자가 더 많이 필요해 가 됩니다. 그 균형에서 벗어난 핵은 방사성 붕괴로 안정한 쪽을 향해 바뀝니다.
핵자들이 뭉치면서 사라진 질량이 곧 그 핵을 붙들고 있는 에너지입니다 — 질량 결손과 핵결합 에너지로 이어집니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1탄소의 동위 원소둘 다 양성자가 6개라 똑같은 탄소이고 화학적 성질도 같습니다. 중성자가 6개냐 8개냐가 다를 뿐인데, 는 안정하고 는 방사성입니다. 핵의 운명은 전자가 아니라 중성자 수가 가릅니다.
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예시 2핵은 얼마나 작은가원자의 지름은 대략 , 핵의 지름은 대략 규모입니다. 지름이 10만 배 차이 나므로 부피로는 배 차이입니다. 원자 대부분이 사실상 텅 비어 있다는 뜻이고, 알파 입자를 금박에 쏘았을 때 대부분 그냥 통과한 이유이기도 합니다.
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예시 3왜 무거운 핵은 중성자가 더 많은가가벼운 핵은 양성자와 중성자 수가 비슷할 때 안정합니다. 하지만 양성자가 늘수록 전기적 반발이 급격히 커지므로, 반발에 가담하지 않으면서 핵력만 보태 주는 중성자가 더 많이 필요해집니다. 무거운 원소일수록 중성자가 양성자보다 눈에 띄게 많은 이유입니다.
자주 하는 오해
질량수를 원자량(원자의 실제 질량)과 같다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움질량수 가 곧 그 원자의 질량이다
실제로는는 핵자의 '개수'를 세는 정수일 뿐입니다. 실제 질량은 결합하며 질량 결손이 생겨 에 정확히 비례하지 않습니다.
핵자들이 뭉치면 전체 질량이 각각의 합보다 조금 줄어듭니다. 그 줄어든 양이 결합 에너지에 해당합니다. 실제 질량이 에 딱 맞아떨어졌다면 결합 에너지가 0이라는 뜻이 되고, 핵은 뭉쳐 있지도 못했을 것입니다.
중성자는 전하가 없으니 핵 안에서 하는 일이 없다고 여기기
이렇게 생각하기 쉬움중성자는 그냥 무게만 보태는 채우개다
실제로는중성자는 전기적 반발에 가담하지 않으면서 강한 핵력으로 양성자를 붙잡아 주는, 핵의 '접착제' 역할을 합니다.
중성자 없이 양성자만 두 개를 붙여 놓은 핵은 존재하지 않습니다. 반대로 중성자가 하나 낀 중수소는 안정합니다. 또 같은 원소라도 중성자 수에 따라 안정하기도 하고 붕괴하기도 합니다 — 중성자 수는 핵의 운명을 정하는 핵심 변수입니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 양자와 미시세계
반감기고3방사성 붕괴고3불확정성 원리고3슈뢰딩거 방정식 (개념)고3스핀고3양자 기술 응용고3양자 얽힘고3양자역학 기초고3중첩 (양자 중첩)고3질량 결손과 핵결합 에너지고3초전도고3터널 효과고3파동함수와 확률 해석고3핵물리와 방사능고3핵분열고3핵융합고3
자주 묻는 질문
Q1핵자 수가 늘면 핵의 부피도 그만큼 커지나요?
네, 부피가 핵자 수에 거의 비례합니다. 즉 핵 안의 밀도는 어느 원소든 거의 같습니다. 핵자들이 서로 파고들지 않고 딱 붙어 있는 구슬처럼 채워져 있다는 뜻입니다.
Q2핵자보다 더 작은 구조가 있나요?
네. 양성자와 중성자는 쿼크라는 더 작은 입자로 이루어져 있습니다. 다만 고등학교 수준의 핵물리에서는 양성자·중성자를 기본 단위로 다루면 충분합니다.
Q3동위 원소는 화학적으로 완전히 똑같나요?
전자 수가 같으므로 화학 반응은 사실상 같습니다. 다만 질량이 달라 반응 속도나 확산 속도에 미세한 차이가 생기고, 이 차이를 이용해 동위 원소를 분리하기도 합니다.
교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 양자와 미시세계
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
균형이 깨진 핵이 어떻게 안정한 쪽으로 바뀌는지 — 방사성 붕괴로 이어서 보세요.
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