우라늄 원자핵은 우라늄 원자의 중심이다. 양성자 92개가 들어 있으며, 가장 흔한 종류인 우라늄-238에서는 중성자가 146개 들어 있다. 지름은 약 12펨토미터이며, 이는 전하의 평균 반지름인 전하 반지름의 2배로 잰 값이다. 1펨토미터는 1미터의 1000조분의 1(10⁻¹⁵미터)이다.

크기

원자핵에는 뚜렷한 경계가 없어서, 크기를 전하 반지름으로 나타낸다. 우라늄-238에 대해 국제원자력기구(IAEA)가 관리하는 원자핵 반지름 표는 5.857펨토미터를 제시하며, 이 값은 0.1%보다 정확하게 알려져 있다. 따라서 원자핵의 지름은 11.7펨토미터이다. 중성자가 3개 적은 우라늄-235는 아주 약간 더 작아서, 지름이 11.67펨토미터이다.

우라늄 원자핵에는 양성자보다 중성자가 훨씬 많다. 양성자는 전하 때문에 서로 밀어내지만, 모든 양성자와 중성자는 강한 핵력으로 가장 가까이 있는 이웃들을 끌어당긴다. 무거운 원자핵에서는 전기적으로 밀어내는 힘 때문에 원자핵이 깨지지 않도록 여분의 중성자가 필요하다.

크기 비교

우라늄-238 원자핵의 지름은 양성자 하나의 약 7배이며, 양성자의 지름은 약 1.7펨토미터이다. 원자핵 안에 양성자와 중성자가 238개 들어 있는데도 그렇다.
이 원자핵의 지름은 헬륨 원자핵의 약 3.5배이며, 헬륨 원자핵의 지름은 약 3.4펨토미터이다. 하지만 우라늄 원자핵에 들어 있는 입자의 수는 헬륨 원자핵의 약 60배이다.
우라늄 원자핵을 농구공 크기로 확대한다면, 같은 비율로 확대한 양성자는 지름이 약 3.4센티미터일 것이며, 이는 테니스공 지름의 약 절반이다.
지름이 약 0.1나노미터인 수소 원자의 지름은 우라늄 원자핵의 약 9,000배이다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다.

아주 느린 붕괴

우라늄-238은 방사성이지만, 붕괴가 극도로 느리다. 시료의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간인 반감기는 44억 7000만 년이다. 지구의 나이는 약 45억 4000만 년이므로, 지구가 만들어질 때 있던 우라늄-238의 약 절반이 아직 남아 있다.

우라늄-238은 알파 입자를 내보내며 붕괴하는데, 알파 입자는 헬륨 원자핵이다. 이어서 붕괴가 여러 단계로 계속되어 납-206에서 끝난다. 지질학자들은 이 붕괴 사슬과, 우라늄-235에서 시작하는 비슷한 사슬을 이용해 암석의 나이와 지구 자체의 나이를 측정한다.

우라늄 쪼개기

우라늄-235는 천연 우라늄의 약 0.72%를 차지한다. 이 원자핵은 중성자에 맞으면 쉽게 쪼개진다. 쪼개질 때마다 에너지와 중성자가 더 나오는데, 이 중성자가 다른 원자핵을 또 쪼개는 연쇄 반응이 이어질 수 있다. 미국의 원자력 발전소는 이 반응을 제어해 전기를 만들기 위한 열을 얻으며, 우라늄-235를 3~5%로 농축한 연료를 쓴다.

출처

Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
Live Chart of Nuclides: uranium-238 ground state. International Atomic Energy Agency.
Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
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