중성자
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1. 개요
전하가 중성인 핵자. 폴로늄에서 방출되는 알파선을 베릴륨에 쏘이면 방사선이 발생하는데, 1932년에 채드윅이 일련의 연구를 통해 이 방사선은 전하량이 없는 입자라는 설을 제안하였고, 이를 중성자라 이름 붙였다.
2. 물리적 성질
이름이 의미하듯 전하를 가지고 있지 않으며, 전하가 없으므로 전하량도 없다. 질량은 1.674927471(21)×10-27kg으로[1] 양성자보다 약간 무겁다. 핵 내부에서는 안정하게 존재할 수 있으나 핵에서 벗어날 경우 불안정하며 양성자와 전자, 전자 중성미자의 반입자로 베타 붕괴를 한다. 이때의 반감기는 609.5±0.4초[2], 평균 수명은 879.4±0.6초이다.[3] 핵 내부에 안정하게 존재하는 중성자의 경우 양성자와 비슷한 수명[4]을 가질 것으로 예측되고 있다. 2020년 현재 실험적으로 중성자 빔 실험과 냉중성자 실험에서의 수명(888.0±2.0, 879.4±0.6)이 4 시그마 정도 일치하지 않는 문제가 있다.[5]
세 개의 쿼크로 이루어진 중입자이며, 한 개의 업 쿼크, 두 개의 다운 쿼크로 이루어져 있다. 전체 전하는 0일지라도 내부의 쿼크들은 전하가 있으므로 중성자는 자기 모멘트가 0이 아니다.[6]
표준모형을 넘어선 일부 이론에서는 중성자가 반중성자로 바뀌는 것이 가능하기 때문에 그러한 중성자 진동을 검출하려는 시도가 있다.
중성자의 베타 붕괴를 정밀하게 측정하여 새로운 물리현상이 존재하는지를 연구하기도 한다.
1932년 하이젠베르크가 양성자와의 유사성을 보고 아이소스핀을 도입하는 계기가 되었다. 이후 아이소스핀 개념은 쿼크 모형으로 이어진다.
3. 화학적 성질
양성자의 수가 동일하지만 중성자의 수가 다른 경우, 같은 원소임에도 다른 핵물리적 성질을 가지게 되며, 이를 동위원소라 한다. 중성자의 개수 N과 원자 번호 Z(양성자의 개수)를 더한 숫자를 질량수 A라 부르며 이는 핵종들을 구분하는 데 사용된다.
한 원소의 핵 안에 중성자의 수와 양성자의 수가 비등한 경우에는 비교적 안정한 성질을 가진다. 그러나 중성자의 수와 양성자 수의 균형이 깨진 원자핵은 불안정하여 방사성을 띠게 된다. 이 현상을 '방사성 붕괴'라고 표현한다.
4. 핵반응
중성자는 주로 핵분열 과정에서 생성된다. 자발적 핵분열을 하는 물질을 통해 중성자를 얻을 수 있으며 캘리포늄이 주로 사용된다. 이밖에 베릴륨이나 리튬에 알파선을 조사하여 생성시킬 수도 있다.
핵 반응에서 중요한 역할을 하는데, 중성자를 맞은 원소가 방사능 물질이 되도록 하기도 하고, 핵분열을 유도하기도 한다. 예를 들어, 원자폭탄이나 원자력 발전소 등에 쓰이는 우라늄, 플루토늄의 핵분열에는 중성자[7]가 있어야 한다. 따라서 원전을 처음 가동할 때는 분열하면서 중성자를 내놓는 캘리포늄이 필요하다.
중성자도 방사선의 일종이며(중성자선이라고 한다) 납도 뚫고 지나가기 때문에 감마선보다 차폐가 어렵다. 차폐를 위해선 수미터의 콘크리트나 물이 필요하다. 이들은 감속재와 같은 역할을 한다. 중성자가 원자와 충돌하면서 속도가 줄어들면서 위험이 줄어드는 것을 노리는 것이다. 운동량 보존의 법칙에 따라 중성자 질량과 비슷한 수소원자가 가장 효과적이다. 물, 탄화수소, 혹은 물을 포함한 물질들이 효과적이다.
이처럼 중성자선의 투과력과 살상력이 강하다는 것을 이용해 만들어진 것이 중성자탄이다.
검출을 위해선 수소원자가 많이 포함된 파라핀이나 중성자와 반응하여 감마선을 내는 가돌리늄을 사용한다.
5. 중성자의 이용
실용적으로는 중성자빔의 산란을 통해 물질의 성질을 연구하는데 사용된다. 중성자는 전하가 없기 때문에 원자를 그대로 뚫고 지나가는 성질이 있으며 자체 스핀을 가지고 자기장에 반응하기 때문에 자성구조연구에 주로 사용된다. 그 외에도 중성자를 통한 분석은 응집물질연구에서 다양하게 쓰이고 있다.
[1] 1.00866491588(49) u, 939.5654133(58) MeV. 이는 전자의 약 1,800배이다.[2] t1/2= τ ln(2)[3] M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) and 2019 update.[4] 양성자 붕괴가 있을 경우 최소 1034년 이상, 붕괴하지 않을 경우 무한대[5] Phys.Rev.Lett. 120 (2018) no.20, 202002[6] 원자가 전기적으로 중성이지만 내부 입자들(전자, 양성자)이 전하를 띠는 것을 생각하면 된다.[7] 원자력 발전소에서는 핵분열 속도를 제어하기 위한 감속재가 있어 중성자의 속도와 수를 제어한다. 구체적으로는 상용 원자로 중 전세계적으로 가장 많이 쓰이는 타입인 열중성자로 (thermal reactor)의 경우에 핵연료의 연쇄반응을 위한 열중성자 (thermal neutron)가 필요하며, 핵분열 과정에서 열중성자를 만들기 위해 경수 또는 중수 등의 감속재가 필요하다. 반면 고속 중성자 (fast neutron)를 이용하는 고속로 (fast reactor)의 경우 이러한 감속재를 사용하지 않는다.