우주의 모든 것은 원자로 구성되어 있습니다. 100여 년 전에 사람들은 원자가 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 입자라고 믿었습니다. 그러나 이제 우리는 아주 작은 원자라도 자신만의 구조를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다.

원자는 핵과 핵 외부의 전자로 구성됩니다. 양성자와 중성자는 핵을 구성하며, 양성자와 중성자 모두 소립자인 쿼크(쿼크 3개)로 이루어져 있습니다.

하지만 쿼크 감금의 존재로 인해 쿼크는 단독으로 존재할 수 없으며, 사람들은 쿼크의 존재를 직접적으로 관찰할 수도 없습니다.

그렇다면 원자의 내부 구조는 어떻게 분포되어 있을까요? 이는 매크로 예제를 통해 직관적으로 볼 수 있습니다.

원자를 축구장 크기로 확대한다고 가정하면 핵과 전자의 크기는 얼마나 됩니까?

대답은 확실히 당신을 놀라게 할 것입니다. 핵은 콩만한 크기로 축구장 중앙에 위치합니다. 그리고 전자는 훨씬 더 작습니다. 축구 경기장 스탠드에 있는 먼지 알갱이보다 더 작습니다!

핵과 전자가 이렇게 작으니 원자핵과 전자만 빼고 나머지 원자는 비어 있는 걸까요?

원자 내부는 정말 텅 빈 것 같지만, 비어 있다고 해서 무(無)가 되는 것은 아니고, 오히려 그곳은 매우 '활동적'입니다!

핵은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠고 있습니다. 이는 원자핵 주변과 전자 자체가 매우 강한 전기장을 가지고 있음을 의미합니다.

또 다른 중요한 점은 전자가 태양 주위를 도는 지구처럼 고정된 원 운동으로 움직이지 않고, 큰 공처럼 핵 주위에 매우 무작위로 나타난다는 것입니다. 이와 같은 구름을 '전자구름'이라고 합니다.

그러므로 원자 내부가 진공이라고 생각하지 마시고, 원자 내부에 물체가 마음대로 들어갈 수 있다고 생각하지 마세요. 전자구름의 존재는 핵 주위에 '단단한 껍질'을 쌓은 것처럼 보이며, 중성미자와 같은 전하를 띠지 않는 입자가 마음대로 들어갈 수 없다면 기본적으로 다른 입자는 갇히게 됩니다.

이론상으로는 원자 내부가 매우 비어 있지만 매우 조밀하고 단단해 보이는 이유는 바로 이 때문입니다. 원자는 너무 단단해서 일반 힘으로는 압축할 수 없습니다. 원자 주변의 "단단한 껍질"을 관통하려면 온도와 압력이 엄청난 별의 핵심 영역과 같은 거대한 물체가 필요합니다.

원자핵의 크기는 매우 작지만 전체 원자 질량의 99.9% 이상을 차지합니다. 원자핵의 밀도는 1cm3의 질량으로 매우 높습니다. 원자핵의 무게는 1억 톤에 달합니다!

핵을 구성하는 양성자와 중성자는 강력한 힘에 의해 결합되어 있습니다. 우리가 흔히 말하는 '양성자와 중성자의 질량은 핵의 질량과 같다'는 말은 양성자와 중성자의 결합 에너지가 질량의 일부를 차지하기 때문에 사실 전자가 후자보다 작다는 것은 엄밀하지 않습니다.

좀 더 자세히 살펴보면 양성자와 중성자는 모두 쿼크로 구성되어 있습니다. 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개로 구성되어 있고, 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크로 구성되어 있습니다.

서로 다른 쿼크는 '글루온'이 전달하는 강한 힘(강한 상호작용)을 통해 서로 결합됩니다. 실제로 세 쿼크의 질량은 양성자(중성자) 질량의 1% 미만에 불과합니다. ), 나머지 99%의 질량은 강한 상호작용에 의해 생성된 질량입니다.

글루온은 전자기력을 전파하는 광자와 유사한 전파자이며 질량(정적 질량)이 없습니다.

그러면 더 작은 쿼크는 계속해서 세분화될 수 있을까요?

과학자들은 아직 알 길이 없습니다. 쿼크의 감금으로 인해 쿼크는 단독으로 존재할 수 없습니다. 적어도 아직은 쿼크를 세분하는 것은커녕 관찰조차 할 수 없습니다.

더 발전된 이론인 끈 이론은 쿼크와 같은 모든 기본 입자가 진동하는 끈으로 구성되어 있다고 믿습니다. 서로 다른 진동 방향과 주파수가 서로 다른 기본 입자를 구성합니다. 끈 이론 외에도 브레인 우주, 고차원 시공간, 다중 우주 등의 이론도 있습니다.

그러나 위의 이론은 검증이 어렵고, 현재는 추론과 추측의 단계에 머물러 있다.