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원자핵은 원자 질량의 대부분을 포함하고 있으며 원자 총체에 비해 매우 작습니다. 평균 핵 밀도는 오스뮴 밀도의 9조 배로 가장 밀도가 높은 원소입니다! 만약 지구의 밀도가 핵의 밀도와 같다면 지구는 30, 000배로 작아질 것입니다.
왜 핵은 그렇게 높은 밀도를 가지고 있을까요? 핵자는 근거리의 강한 핵력에 의해 결합됩니다. 양성자-양성자 거부반응과 핵자-핵자 인력사이의 균형이 핵의 안정성을 결정합니다.
양성자-양성자 거부반응이 끌어당기는 핵력을 능가할 때 핵은 붕괴됩니다. 양성자와 중성자의 수로 핵종을 그래프화하면 안정한 핵이 중심 영역을 차지하고 있다는 것을 알 수 있는데 이것은 안정 벨트 또는 안정구역이라고 불리는 파란색으로 표시되어 있습니다. 탄소-12와 같이 중성자 대 양성자 비율이 1인 가벼운 핵종들은 안정성이 매우 큽니다.
원자 수가 20 이상으로 증가함에 따라 양성자-양성자 거부반응의 균형을 맞추기 위해 더 많은 중성자가 필요하게 됩니다. 중성자는 핵력에 의해 서로 끌어당기는 반면 그것들 사이에는 반발 상호작용이 없습니다. 따라서 중성자 수의 증가는 핵력을 크게 강화합니다.
모든 안정적인 중핵종은 중성자 대 양성자 비율이 1보다 큽니다. 중성자 대 양성자 비율이 더 높은 방사성핵종의 경우 반적으로 중성자를 양성자로 변환하는 베타-붕괴가 발생합니다. 따라서 중성자 대 양성자 비율은 감소하여 그래프의 안정 벨트에 더 가까운 핵종을 산출합니다.
중성자 대 양성자 비율이 낮은 방사성핵종은 양전자를 방출하거나 전자 포획을 당하여 양성자를 중성자로 변환하고 안정성 벨트에 가깝게 이동시킵니다. 흥미롭게도 궤도에 존재하는 전자쌍처럼 핵에서 양성자-양성자와 중성자-중성자 쌍을 관측할 수 있습니다. 양성자와 중성자의 수가 모두 같을 때 모든 핵전자에 대해 쌍이 가능하기 때문에 핵은 매우 안정적입니다.
오직 중성자와 양성자가 홀수인 5개의 핵종만이 안정적입니다. 특정한 수의 양성자나 중성자를 가진 핵은 예상보다 안정적이며 이로부터 이 숫자들을 매직 넘버라고 부릅니다. 양성자와 중성자의 갯수가 마법의 숫자인 핵을 이중 매직이라고 부릅니다.
82보다 높은 원자 번호를 가진 모든 핵들은 방사성 핵입니다. 그러나 원자 번호가 83인 비스무트-209는 방사성핵종 중에서 예외적으로 반감기가 깁니다. 안정 벨트에서 멀리 떨어진 방사성핵종의 경우 붕괴 사슬은 그것이 궁극적으로 안정된 핵종에 도달하는 일련의 붕괴 과정입니다.
집합적으로 핵자라고 불리는 양성자와 중성자는 핵 안에 촘촘하게 모여 있습니다. 반경이 약 10^~15미터인 핵은 전체 원자의 반경인 약 10^~10미터에 비해 상당히 작습니다. 핵은 평균 1.8×10^14그램/입방센티미터로 벌크 물질에 비해 밀도가 매우 높습니다. 지구…
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