How big is 염소 원자핵?

염소 원자핵은 염소 원자의 중심이다. 양성자 17개가 들어 있으며, 자연 상태의 염소를 이루는 두 종류에서는 중성자가 18개 또는 20개 들어 있다. 더 흔한 종류인 염소-35의 원자핵은 지름이 약 6.7펨토미터이며, 이는 전하 반지름의 2배로 잰 값이다. 1펨토미터는 1미터의 1000조분의 1(10⁻¹⁵미터)이다.

크기

원자핵에는 뚜렷한 경계가 없어서, 크기를 전하 반지름, 즉 전하의 평균 반지름으로 나타낸다. 염소-35에 대해 국제원자력기구(IAEA)가 관리하는 원자핵 반지름 표는 3.365펨토미터를 제시한다. 전자 대신 뮤온이라는 더 무거운 입자가 들어 있는 원자를 이용해 2026년에 보고된 더 정밀한 측정에서는 3.333펨토미터가 나왔다. 두 값 모두 원자핵의 지름이 약 6.7펨토미터임을 뜻한다.

같은 원소이면서 중성자 수가 다른 원자들을 동위 원소라고 한다. 염소-37은 염소-35보다 중성자가 2개 더 많지만, 원자핵의 지름 차이는 1%가 채 되지 않는다. 지구에 있는 염소의 약 4분의 3은 염소-35이다.

양성자가 15개를 넘는 대부분의 원자핵처럼, 염소의 원자핵도 양성자보다 중성자가 많다. 양성자는 전하 때문에 서로 밀어내는데, 여분의 중성자는 강한 핵력이 원자핵을 하나로 묶어 두는 것을 돕는다.

크기 비교

염소-35 원자핵의 지름은 양성자 하나의 약 4배이며, 양성자의 지름은 약 1.7펨토미터이다.
이 원자핵의 지름은 헬륨 원자핵의 약 2배이며, 헬륨 원자핵의 지름은 약 3.4펨토미터이다.
우라늄 원자핵에는 염소 원자핵의 6.8배에 이르는 수의 양성자와 중성자가 들어 있지만, 지름은 2배에 못 미친다.
염소 기체 분자에서 두 원자의 원자핵은 0.199나노미터 떨어져 있으며, 이는 어느 한쪽 원자핵 지름의 약 3만 배이다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다.
이 두 원자핵을 농구공 크기로 확대한다면, 둘은 약 7킬로미터 떨어져 있을 것이다.

태양에서 오는 중성미자 잡아내기

염소-37 원자핵은 태양에서 오는 중성미자를 검출하는 데 쓰였다. 중성미자는 거의 모든 물질을 통과하는 입자이다. 아주 드물게, 중성미자가 염소-37 원자핵에 부딪히면 그 원자핵의 중성자 하나가 양성자로 바뀐다. 그러면 원자핵은 아르곤-37이 되는데, 이 원자핵은 방사성이며 반감기는 35일이다. 반감기는 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간이다.

1960년대에 레이먼드 데이비스 주니어는 미국 사우스다코타주의 금광에, 세정액으로 흔히 쓰이는 테트라클로로에틸렌 615톤이 담긴 탱크를 설치했다. 이 탱크에는 염소-37 원자가 약 2 × 10³⁰개 들어 있었는데, 2 뒤에 0이 30개 붙은 수이다. 1994년까지 그가 추출한 아르곤 원자는 약 2,000개로, 예상보다 적었다. 데이비스는 이 업적으로 2002년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.