How big is 헬륨 원자핵?

헬륨 원자핵은 헬륨 원자의 중심으로, 양성자 두 개와 중성자 두 개로 이루어져 있다. 지름은 약 3.4펨토미터로, 전하 반지름(전하의 평균 반지름)의 2배로 잰 값이다. 1펨토미터는 10억분의 1미터의 100만분의 1(10⁻¹⁵미터)이다. 헬륨 원자핵은 알파 입자라고도 한다.

크기

원자핵에는 단단한 가장자리가 없어서, 크기를 전하 반지름으로 나타낸다. 헬륨 원자핵의 경우 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 제시하는 권장값은 1.6785펨토미터이다. 따라서 지름은 3.36펨토미터이다.

가장 정밀한 측정에는 전자 두 개 대신 뮤온 하나가 둘레를 도는 헬륨 원자핵이 쓰였다. 뮤온은 전자와 비슷한 입자이지만 약 200배 무겁다. 2021년 스위스 파울 셰러 연구소에서 연구하는 팀이 보고한 결과는 1.67824펨토미터였다. 이 결과는 헬륨 원자핵에 전자를 쏘았던 이전 실험들과 일치하며, 정밀도는 이전 실험의 4.8배이다.

헬륨 원자핵은 유난히 조밀하다. 수소의 무거운 형태인 중수소의 원자핵에는 양성자 하나와 중성자 하나만 들어 있는데, 헬륨 원자핵은 그보다도 작다.

크기 비교

헬륨 원자핵은 지름이 약 1.7펨토미터인 양성자 하나의 약 2배이고, 질량은 약 4배이다.
우라늄 원자핵에 든 양성자와 중성자의 수는 헬륨 원자핵의 약 60배이지만, 지름은 약 3.5배밖에 되지 않는다.
헬륨 원자핵을 농구공 크기로 확대한다면, 같은 배율의 수소 원자는 지름이 약 7.6킬로미터일 것이다.
헬륨 원자핵 약 300억 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터에 해당한다.

알파 입자

자연에서 발견되는 세 종류의 우라늄을 비롯해 무거운 방사성 원자 중 많은 수는 헬륨 원자핵을 내던지며 붕괴한다. 이를 알파 붕괴라고 한다. 헬륨은 너무 가벼워서, 지구의 중력이 수십억 년 동안 대기 중에 붙잡아 둘 수 없다. 공기 중의 헬륨은 거의 전부 고체 지구 안에서 일어나는 알파 붕괴에서 나온다.

알파 입자는 핵물리학의 가장 초기 도구 가운데 하나였다. 1919년 어니스트 러더퍼드는 알파 입자를 질소에 쏘아 질소 원자핵에서 양성자를 튕겨 냈다. 1930년에는 금속인 베릴륨에 알파 입자를 쏘자 투과력 있는 복사선이 나왔고, 제임스 채드윅은 1932년에 이 복사선이 중성자로 이루어져 있음을 보였다.

태양에서 따온 이름

헬륨은 지구에서 발견되기 전에 태양에서 먼저 발견되었다. 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센은 일식 때 태양에서 오는 빛에서 헬륨을 검출했다. 영국 천문학자 조지프 노먼 로키어는 독자적으로 헬륨을 발견하고, 태양을 뜻하는 그리스어 “헬리오스(helios)”를 따서 이름을 붙였다. 1895년 스코틀랜드 화학자 윌리엄 램지는 클레베이트라는 우라늄 광물에서 지구의 헬륨을 발견했다.