원자핵

가장 간단한 원자핵은 수소의 원자핵이며 이것은 한 개의 양성자로만 되어있습니다. 양성자는 전자의 전하량과 같고 부호가 반대인 양전하(1.6x10^-19)를 가지고 있으며 질량은 전자의 1840배이다. 일반적으로 원자핵은 크기가 10^-14~10^-15 m 정도이고 원자질량의 대부분을 차지하고며 양성장 외에 중성자를 구성요소로 한다. 원자핵을 구성하고 있는 양성자와 중성자를 핵자라고 합니다. 중성자는 양성자와 거의 같은 질량을 가지고 있고 전하는 없다. 원자 자체는 일반적으로 전기적으로 중성입니다. 즉, 원자핵이 양전하를 가지고 있으며 궤도전자의 수와 같은 수의 양성자가 원자핵 속에 존재한다는 것을 의미합니다. 원자핵 속의 양성자와 중성자를 합한 개수를 질량수라 하고 A로 나타냅니다. 원자핵을 구별할 수 있도록 기호로 표시할 때, 원자번호는 왼쪽 아래에, 질량수는 왼쪽 어깨에 쓴다. 원자번호는 6번인 탄소의 경우 아래와 같이 나타냅니다.

그러나 일반적으로 원자번호 6을 생략하고 나타내는 경우가 많으며, 이는 원소 기호만으로도 원자번호를 표시할 수 있기 때문입니다. 한편 같은 원소이면서 서로 다른 질량수를 갖는 것을 구별하기 위해 질량수는 표시합니다.

 

이처럼 원자번호와 질량수로 규정된 원자핵의 종류를 핵종이라고 합니다. 원자핵은 양성자의 수는 동일하나 중성자의 수가 다른, 즉 원자번호는 동일하나 질량수가 다른 원자핵이 존재합니다. 이러한 원자핵을 서로 동위원소라고 합니다. 동위원소들은 서로 동일한 화학적 성질을 가지므로 화학적인 방법으로는 분리할 수 없고 물리적인 성질의 차이, 질량 차이를 이용하여 질량분석기로 분리하는 것은 가능합니다. 자연에 존재하는 대부분의 원소는 몇 개의 동위원소로 혼합되어 있습니다. 또한 질량수가 같고 원자번호가 다른 원자핵을 서로 동중원소라고 합니다. 원자번호와 질량수는 다르지만 개수가 같은 핵종은 서로 동중성자원소라고 합니다.

한편, 원자번호와 질량수가 같은 원자이면서 다른 핵종으로 분류되는 경우가 있습니다. 여기상태이나 보통의 경우와는 달리 비교적 오랫동안 여기상태를 지속하는 준안정상태를 유지하며 일정한 반감기로 붕괴합니다. 이 같은 경우는 에너지 준위가 다르다고 말합니다. 이러한 핵종은 준안정상태를 뜻하는 m을 질량수와 함께 표시하여 별개의 핵종으로 취급합니다. 

 

원자핵의 각모형은 원자핵의 에너지가 원자와 비슷하게 불연속적인 띄엄띄엄한 에너지 준위(energy level)로 표현된다고 가정합니다. 원자핵에 에너지를 주며 보다 높은 에너지 상태인 여기 상태로 이동하고 다시 안정상태인 바닥 상태로 돌아올 때는 두 준위의 차이에 해당하는 에너지를 방출합니다. 이때 종종 여기상태는 바로 바닥상태로 변화하지 않고 중간의 여기상태를 거치며 에너지를 차례차례 방출하기도 합니다.

CO60의 붕괴도로서 에너지 붕괴 전후의 핵의 에너지 변화를 에너지 준위로 표시됩니다. CO60 원자핵은 베타입자를 방출하고 Ni60 원자핵의 여기상태로 변화합니다. Ni60의 여기상태의 에너지를 방출하며 바닥 상태로 변화하는데 이 과정에서 첫 번째 여기상태로 먼저 변화하여 그 에너지를 한 개의 감마선으로 방출하며 두 준위의 에너지 차이인 1.71MeV의 에너지를 갖습니다. 첫 번째 여기상태는 다시 바닥상태로 변화하며 1.33MeV의 에너지를 가진 감마선을 방출합니다. 그러나 모든 변화가 이와 깉이 에너지 준위 간에 차례차례 변화하는 것은 아닙니다. 핵의 에너지 중위 간 이동은 핵종에 따라 고유한 형태를 갖습니다.