원자핵의 구조 및 모델

원자핵은 양성자와 중성자라는 두 종류의 핵자로 구성된다. 양성자는 양전하를 띠고 있으며, 중성자는 전기적으로 중성이다. 이 두 입자는 질량이 매우 비슷하지만, 전하의 유무가 가장 큰 차이점이다. 양성자의 수는 원자의 원자번호를 결정하며, 이는 주기율표에서 원소의 위치를 정한다.

양성자와 중성자는 강한 상호작용이라는 힘에 의해 핵 내부에 결속된다. 이 힘을 핵력이라고 부르며, 그 거리는 매우 짧지만 전자기력보다 훨씬 강력하다. 중성자는 핵 내에서 양성자 사이의 정전기적 척력을 완화시키는 역할을 하여 핵의 안정성에 기여한다. 일반적으로 안정한 핵은 양성자 수와 중성자 수가 균형을 이룬다.

자유 상태의 중성자는 약 15분의 평균 수명을 가지며 베타 붕괴를 통해 양성자로 변환된다. 그러나 핵 내부에 속박된 중성자는 안정하게 존재할 수 있다. 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어진 복합 입자이며, 각각 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크(uud), 한 개의 위 쿼크와 두 개의 아래 쿼크(udd)로 구성된다는 점에서 내부 구조를 공유한다.

핵자는 양성자와 중성자를 통칭하는 용어이다. 이들은 원자핵을 구성하는 기본 입자이며, 강한 상호작용이라는 기본 힘에 의해 서로 결합한다. 핵자 사이에 작용하여 핵을 하나로 묶어주는 이 매력력을 핵력 또는 강력이라고 부른다.

핵력은 매우 짧은 거리에서만 작용하는 특성을 지닌다. 그 작용 반경은 약 1.4 × 10⁻¹⁵m (1.4 펨토미터) 정도로, 핵의 크기와 비슷하다. 핵력의 세기는 거리에 따라 매우 급격히 감소하여, 핵의 크기를 벗어나면 그 영향이 거의 사라진다. 이 힘은 쿨롱 힘보다 훨씬 강력하여, 양성자 사이의 정전기적 반발력을 극복하고 핵을 안정하게 유지할 수 있다.

핵력의 성질을 설명하는 현대 이론은 양자 색역학에 기반을 둔다. 핵자는 각각 세 개의 쿼크로 구성된 중입자이다. 핵력은 핵자 사이를 교환되는 파이온과 같은 중간자에 의해 매개된다는 설명이 가능하지만, 이는 근사적인 모형에 해당한다. 핵력은 본질적으로 핵자를 구성하는 쿼크 사이의 색력의 잔류 효과로 이해된다. 핵력은 또한 스핀과 이소스핀에 의존하는 성분을 가지고 있어 복잡한 특성을 보인다.

질량수는 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 총 개수를 의미한다. 기호 A로 표시하며, 양성자 수(Z)와 중성자 수(N)의 합(A = Z + N)이다. 질량수는 핵의 질량을 근사적으로 나타내는 값으로, 전자의 질량은 매우 작아 무시된다.

원자번호는 핵에 있는 양성자의 개수를 의미하며, 기호 Z로 표시한다. 원자번호는 원소의 화학적 성질을 결정하는 가장 근본적인 수치이다. 주기율표에서 원소들은 원자번호 순서대로 배열되어 있다.

질량수와 원자번호는 원자핵을 표기하는 핵자 기호에서 함께 사용된다. 일반적으로 원소 기호 X의 왼쪽 상단에 질량수(A), 왼쪽 하단에 원자번호(Z)를 표기하여 ^A_ZX 형식으로 나타낸다. 예를 들어, 탄소-12는 ¹²₆C로 표기한다. 이 두 수치는 특정 동위원소를 명확하게 식별하는 데 필수적이다.

같은 원자번호를 가지지만 질량수가 다른 핵들을 동위원소라고 한다. 예를 들어, 수소는 원자번호가 모두 1이지만, 질량수가 1(프로튬), 2(듀테륨), 3(트리튬)인 세 가지 동위원소가 존재한다.

원자핵의 반지름은 핵을 구성하는 핵자들이 차지하는 공간의 크기를 나타내는 척도이다. 실험적으로는 알파 입자나 전자 등의 산란 실험을 통해 측정한다. 일반적으로 핵의 반지름 *R*은 질량수 *A*와 *R = r₀ A^(1/3)*의 관계를 따른다. 여기서 *r₀*는 실험적으로 결정되는 상수로, 대략 1.2 × 10^(-15) m (1.2 fm) 정도의 값을 가진다[3]. 이 관계는 핵의 부피가 핵자 수에 비례한다는 것을 의미하며, 이로부터 핵 물질의 밀도가 거의 일정하다는 중요한 결론을 도출할 수 있다.

핵의 밀도는 극도로 높다. 질량수 *A*인 핵의 근사적인 부피는 (4/3)πR³ = (4/3)π(r₀³ A)이므로, 핵자당 부피는 *A*에 무관하게 일정하다. 따라서 핵 물질의 밀도도 거의 일정하게 유지된다. 이를 계산하면 약 2.3 × 10^(17) kg/m³에 이르는 엄청난 값이다. 이는 물의 밀도보다 약 100조(10^14) 배나 높은 수치이다. 이렇게 높은 밀도는 강한 상호작용의 결과로 발생하는 핵력이 매우 짧은 거리에서만 작용하며 포화 특성을 보이기 때문이다. 즉, 각 핵자는 주변의 이웃 핵자들과만 상호작용하여 결합한다.

이러한 균일한 밀도와 반지름의 *A^(1/3)* 의존성은 핵이 압축되기 어려운 유체 방울과 유사하게 행동한다는 액적 모델의 기본 가정을 뒷받침한다. 그러나 매우 작은 핵이나 특별히 안정된 핵(마법수를 가진 핵)에서는 이 관계에서 약간의 편차가 관찰되기도 한다.

원자핵의 안정성은 그 구성과 에너지 상태에 의해 결정된다. 안정한 핵은 무한한 반감기를 가지며 자연적으로 붕괴하지 않는다. 반면 불안정한 핵, 즉 방사성 동위원소는 알파 붕괴, 베타 붕괴, 감마선 방출 등의 과정을 통해 에너지를 방출하며 더 안정한 상태로 변환된다. 핵의 안정성은 주로 중성자-양성자 비율에 크게 의존한다. 가벼운 원소들은 대체로 중성자와 양성자의 수가 비슷한(N≈Z) 핵이 안정하지만, 무거운 원소로 갈수록 척력이 증가하는 양성자 간의 쿨롱 힘을 상쇄하기 위해 더 많은 중성자가 필요해진다.

동일한 원자번호(즉, 같은 수의 양성자)를 가지지만 중성자 수가 다른 원소들을 동위원소라고 한다. 예를 들어, 탄소는 탄소-12(양성자 6개, 중성자 6개), 탄소-13(양성자 6개, 중성자 7개), 탄소-14(양성자 6개, 중성자 8개) 등의 동위원소를 가진다. 이 중 탄소-12와 탄소-13은 안정하지만, 탄소-14는 불안정하여 베타 붕괴를 한다. 자연계에 존재하는 대부분의 원소는 여러 동위원소의 혼합물이며, 그 비율은 거의 일정하다.

안정한 동위원소의 분포를 나타내는 안정 동위원소 도표를 보면, 특정한 수의 양성자나 중성자를 가진 핵이 특히 안정함을 알 수 있다. 이 마법의 수, 즉 마법수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126(중성자) 등이다. 마법수를 가진 핵은 에너지 준위가 꽉 차 있어 결합 에너지가 크고 안정도가 높다. 이 현상은 원자핵의 껍질 모델의 중요한 근거가 된다. 반대로, 양성자나 중성자 수가 마법수에서 멀어질수록, 특히 양쪽 모두 마법수에서 멀어지는 핵은 불안정해지는 경향이 있다.

액적 모델은 핵을 압축성이 거의 없는 균일한 하전 액체 방울로 가정한다. 이 모델에서 핵자(양성자와 중성자)는 액체 분자와 유사하게 강한 핵력에 의해 서로 결합되어 있으며, 핵력은 단거리력의 특성을 가진다.

핵의 전체 결합 에너지는 액체 방울의 여러 에너지 항의 합으로 근사된다. 주요 항으로는 부피 에너지, 표면 에너지, 쿨롱 에너지, 대칭 에너지, 짝짓기 에너지 등이 있다. 부피 에너지는 핵자당 결합 에너지가 일정함을 의미하며, 표면 에너지는 표면에 위치한 핵자의 결합이 덜 강함을 반영한다. 쿨롱 에너지는 양성자 사이의 정전기적 반발을, 대칭 에너지는 중성자와 양성자 수의 불균형에 따른 불안정성을 설명한다.

이러한 가정들을 바탕으로 개발된 베테-바이츠커 공식은 핵의 질량과 결합 에너지를 상당히 정확하게 예측한다. 이 공식은 특히 질량수가 큰 핵의 결합 에너지 경향성을 잘 설명하며, 핵분열 과정에서 방출되는 에너지의 근거를 제공한다.

액적 모델에서 핵의 결합 에너지는 표면 장력, 쿨롱 척력, 비대칭성 등 여러 항의 합으로 근사된다. 이는 액체 방울의 결합 에너지를 설명하는 베테-바이첵커 공식(또는 반경험적 질량 공식)으로 정량화된다. 이 공식은 핵의 총 결합 에너지를 체적 항, 표면 항, 쿨롱 항, 비대칭 항, 짝짓기 항의 합으로 나타낸다.

표면 항은 핵이 구형 액적과 유사하게 행동한다는 가정에서 비롯된다. 액체 방울의 표면 장력이 표면적을 최소화하려는 경향을 설명하듯, 핵의 표면 항도 표면에 위치한 핵자는 완전히 둘러싸이지 않아 결합 에너지가 낮아짐을 나타낸다. 이 항은 질량수 A의 2/3제곱에 비례하며, 핵의 크기가 커질수록 표면적 대 체적 비율이 줄어들어 그 중요성이 상대적으로 감소한다.

이 모델은 특히 중간 정도에서 무거운 핵의 결합 에너지와 핵분열 현상을 성공적으로 예측한다. 예를 들어, 핵분열은 핵이 두 개의 작은 방울로 분열될 때 표면 에너지의 증가와 쿨롱 에너지의 감소 사이의 균형 변화로 이해될 수 있다. 그러나 이 모델은 마법수를 보이는 특별히 안정한 핵이나 각운동량과 같은 양자역학적 세부 사항을 설명하지 못하는 한계를 지닌다.

마법수는 특정 수의 양성자나 중성자를 가진 원자핵이 특히 안정한 현상을 설명하는 핵물리학의 개념이다. 이 숫자들은 마치 마법처럼 핵의 안정성을 높인다고 하여 붙여진 이름이다. 가장 잘 알려진 마법수는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126이다[5].

이러한 마법수에 해당하는 핵자는 완전히 채워진 에너지 준위, 즉 '껍질'을 형성한다. 이는 전자가 원자에서 특정 개수만큼 채워진 껍질을 이루어 비활성 기체가 안정한 것과 유사한 원리이다. 따라서 마법수에 해당하는 양성자나 중성자 수를 가진 핵, 예를 들어 헬륨-4(양성자 2, 중성자 2), 산소-16(양성자 8, 중성자 8), 납-208(양성자 82, 중성자 126) 등은 결합 에너지가 크고 반감기가 매우 길어 특별히 안정하다.

마법수의 존재는 껍질 모델의 강력한 증거가 되었다. 초기의 액적 모델은 핵의 평균적 성질은 잘 설명했지만, 특정 숫자에서 나타나는 이러한 비정상적인 안정성을 설명할 수 없었다. 마법수 근처의 핵들은 일반적으로 다음과 같은 특징을 보인다.

이중 마법수 핵, 즉 양성자와 중성자 수가 모두 마법수인 핵은 가장 안정하다. 대표적인 예인 납-208은 자연계에 존재하는 가장 무거운 안정 핵이다. 마법수의 발견과 연구는 핵 구조에 대한 이해를 깊게 하고, 인공적으로 초중원소를 합성하고 그 안정성을 예측하는 데 중요한 기준을 제공했다.

단일 입자 껍질 모델은 원자핵의 구조를 설명하는 껍질 모델 중 가장 기본적인 접근법이다. 이 모델은 핵 내의 각 핵자(양성자나 중성자)가 다른 모든 핵자와의 복잡한 상호작용을 평균화하여 생성된 중심력장 내에서 독립적으로 운동한다고 가정한다. 이는 원자에서 전자가 핵의 쿨롱 힘 장 안에서 독립적으로 움직이는 방식과 유사한 개념이다. 따라서 핵자들은 특정한 에너지 준위(껍질)를 차지하며, 파울리 배타 원리에 따라 각 준위는 두 개의 핵자(스핀 업/다운)까지 채워질 수 있다.

이 모델의 성공은 특히 '마법수'를 가진 핵, 즉 양성자나 중성자의 수가 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126인 핵들의 특별한 안정성을 정확히 예측하는 데 있다. 마법수는 에너지 준위 사이의 갭이 특히 큰 곳에 해당하며, 껍질이 완전히 채워진 상태를 의미한다. 이는 원자의 비활성 기체가 안정한 것과 유사한 현상이다. 단일 입자 모델은 이러한 핵들이 구형에 가깝고 결합 에너지가 상대적으로 크며, 첫 들뜸 에너지가 높다는 실험적 관측을 잘 설명한다.

그러나 이 모델에는 한계도 존재한다. 핵자 간의 강한 상관관계와 집단적 운동을 무시하기 때문에, 마법수가 아닌 핵, 특히 변형된 핵의 구조나 저에너지 진동 스펙트럼을 설명하는 데는 부적합하다. 또한, 핵력이 단순한 중심력이 아니라는 점도 모델의 단순화에서 벗어난다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다체 상호작용을 고려한 집단 모델이나 현대적인 밀도범함수 이론 등이 발전하게 되었다.

집단 모델은 핵 내부의 다수 핵자들이 집단적으로 움직인다는 가정에 기반한 핵 구조 모델이다. 이 모델은 핵을 하나의 변형 가능한 액적이나 고체로 간주하여, 핵 전체의 진동과 회전과 같은 집단 운동을 설명하는 데 중점을 둔다. 이는 핵자 하나하나의 운동을 강조하는 껍질 모델과 상호보완적인 관계에 있다. 특히 질량수가 큰 핵이나 들뜬 상태의 핵에서 관찰되는 전기 다중극 진동과 회전 대역 구조를 성공적으로 예측한다.

이 모델의 핵심은 핵이 구형이 아닌 타원체나 더 복잡한 형태로 변형될 수 있다는 점이다. 이러한 변형은 핵자들 사이의 강한 상호작용, 즉 핵력의 집단적 효과로 인해 발생한다. 핵은 다양한 진동 모드를 가지며, 그 중 가장 중요한 것은 표면을 따라 일어나는 사중극자 진동이다. 또한 핵은 변형된 축을 중심으로 회전 운동을 할 수 있으며, 이는 핵의 회전 에너지 준위를 형성한다.

집단 모델의 성공은 실험 데이터와의 비교를 통해 확인된다. 예를 들어, 희토류 원소와 악티늄족 원소 영역의 많은 핵들은 회전 대역 구조를 명확하게 보여준다. 이 모델은 핵의 들뜬 상태 에너지, 전이 확률, 자기 모멘트 등을 계산하는 데 널리 사용된다. 특히 다음과 같은 핵 현상을 설명하는 데 유용하다.

집단 모델은 핵 구조에 대한 현미경적 모델과 거시적 모델 사이의 간격을 메우는 역할을 한다. 그러나 매우 가벼운 핵이나 마법수 근처의 구형 핵에서는 그 적용이 제한적이다. 현대 핵 구조 이론에서는 밀도범함수 이론과 같은 방법을 통해 집단 운동을 보다 근본적으로 유도하고 설명하려는 노력이 계속되고 있다.

핵의 진동은 핵의 표면이 구형에서 일시적으로 벗어나 변형되었다가 다시 원래 모양으로 돌아오는 집단적 운동이다. 이는 핵을 구성하는 핵자들의 협동적인 움직임으로 설명된다. 가장 단순한 형태는 사중극자 진동으로, 핵이 구형에서 타원체 모양으로 늘어났다 줄어드는 운동이다. 이 외에도 팽창-수축을 나타내는 단극자 진동, 팔찌 모양의 변형을 나타내는 팔중극자 진동 등이 존재한다. 이러한 진동 모드의 에너지는 특정한 값을 가지며, 이를 관측함으로써 핵의 집단적 성질을 연구할 수 있다.

핵의 회전은 각운동량을 갖는 비구형 핵, 특히 타원체 모양으로 변형된 핵에서 관찰되는 현상이다. 구형 핵은 회전 스펙트럼을 보이지 않지만, 타원체나 더 복잡한 모양을 가진 핵은 양자화된 회전 에너지 준위를 가진다. 회전 에너지는 회전 각운동량의 제곱에 비례하며, 그 비례 상수는 핵의 관성 모멘트에 의해 결정된다. 회전 스펙트럼, 즉 연속적인 회전 에너지 준위의 패턴을 분석하면 핵의 변형 정도와 대칭성에 대한 정보를 얻을 수 있다.

진동과 회전 모드는 서로 결합될 수 있다. 변형된 핵이 회전하면서 동시에 그 모양이 진동할 수 있다. 이러한 복잡한 운동을 기술하기 위해 발전된 이론 모델이 집단 모델이다. 이 모델은 핵을 강체가 아닌 변형 가능한 물체로 취급하여, 핵자들의 개별 운동보다는 핵 전체의 집단적 좌표를 통해 핵 구조를 설명한다. 실험적으로는 감마선 분광학을 통해 이러한 진동 및 회전 에너지 준위 사이의 전이를 측정하여 모델을 검증한다.

집단 모델은 핵이 완전한 구형이 아니라 변형될 수 있다는 개념을 도입한다. 이 모델에서 핵은 핵자들의 집단적 운동을 통해 회전하거나 진동할 수 있으며, 이러한 운동은 핵의 모양 변화와 밀접하게 연관된다.

변형된 핵 구조는 주로 핵의 질량수가 특정 범위(예: 150~190 또는 220 이상의 중성자 과잉 핵)에 있을 때 두드러지게 나타난다. 이러한 핵들은 에너지적으로 안정된 상태가 구형이 아니라 타원체(축구공 모양의 구형 또는 시가 모양의 장방형)일 수 있다. 변형의 정도는 사중극자 모멘트라는 물리량으로 정량화된다. 사중극자 모멘트가 0이면 핵은 완전한 구형이며, 0이 아니면 핵이 변형되어 있음을 의미한다.

변형된 핵의 에너지 준위 구조는 구형 핵과 뚜렷이 구분된다. 구형 핵의 에너지 준위가 불규칙한 반면, 변형된 핵은 회전 에너지 준위를 형성하는 것이 특징이다. 회전 에너지는 각운동량에 따라 다음과 같은 간단한 관계를 보인다.

여기서 A는 회전 상수이며, I는 회전 각운동량 양자수, +는 패리티를 나타낸다. 이는 강체 회전자의 에너지 공식(E = ħ² I(I+1) / 2ℐ)과 유사하며, ℐ는 핵의 관성 모멘트이다. 이러한 규칙적인 회전 띠는 실험적 핵 분광학을 통해 쉽게 관측된다.

변형은 핵의 안정성에도 영향을 미친다. 큰 변형을 가지는 핵은 일반적으로 핵력의 결합 에너지가 증가하여 더 안정화될 수 있다. 이 현상은 방사성 동위원소의 붕괴 경로나 핵반응 단면적을 이해하는 데 중요하다. 또한, 매우 큰 변형을 보이는 초변형 상태는 핵물리학의 활발한 연구 주제 중 하나이다.

밀도범함수 이론은 다체계 양자역학 문제, 특히 원자핵과 같은 복잡한 핵자 다체계의 바닥 상태 특성을 계산하는 데 널리 사용되는 이론적 틀이다. 이 접근법은 핵 내 모든 핵자의 파동 함수를 직접 다루는 대신, 핵자 밀도의 공간적 분포를 기본 변수로 삼는다. 핵의 총 에너지는 핵자 밀도의 함수, 즉 범함수로 표현되며, 이 에너지 범함수를 최소화하는 밀도 분포를 찾아 핵의 바닥 상태 구조와 결합 에너지를 결정한다.

이 이론의 핵심은 효과적인 핵자-핵자 상호작용을 묘사하는 에너지 밀도 범함수를 구성하는 것이다. 이 범함수는 일반적으로 국소 밀도 근사와 같은 방법을 통해, 핵자 밀도와 그 기울기에 의존하는 항들의 합으로 작성된다. 각 항은 핵력의 특정 성질, 예를 들어 결합 에너지, 포화 현상, 대칭 에너지, 표면 장력 등을 재현하도록 조정된 매개변수를 포함한다. 이 매개변수들은 알려진 핵의 실험 데이터(예: 결합 에너지, 반지름)에 맞춰 결정된다.

에너지 밀도 범함수가 정해지면, 변분 원리를 적용하여 슈뢰딩거 방정식과 유사한 코흐-샴 방정식을 유도할 수 있다. 이 방정식을 수치적으로 풀어 각 핵자의 단일 입자 파동 함수와 에너지를 얻으며, 이를 통해 핵의 바닥 상태 모양, 전하 분포, 결합 에너지, 껍질 구조 효과 등을 체계적으로 계산할 수 있다. 밀도범함수 이론은 중량핵부터 불안정 핵에 이르기까지 다양한 핵의 성질을 성공적으로 예측하며, 집단 모델과 껍질 모델의 장점을 통합한 현대 핵 구조 계산의 표준 도구로 자리 잡았다.

양자 색역학은 쿼크와 글루온 사이의 강한 상호작용을 기술하는 기본 이론이다. 이 이론에 따르면, 양성자와 중성자와 같은 핵자는 각각 세 개의 쿼크로 구성된 복합 입자이다. 따라서 원자핵의 구조와 성질을 근본적으로 이해하기 위해서는 양자 색역학의 틀 안에서 핵자를 구성하는 쿼크와 글루온의 역학을 설명해야 한다.

그러나 낮은 에너지 영역에서의 양자 색역학 계산은 수학적 복잡성으로 인해 직접적인 적용이 매우 어렵다. 이 난제를 극복하기 위해 유효장 이론이 개발되었다. 대표적인 예가 카이랄 유효장 이론으로, 이는 핵자 사이의 핵력을 핵자를 기본 구성 요소로 하는 수준에서 기술한다. 이 접근법은 핵력의 교환 입자인 파이온의 역할을 강조하며, 핵의 결합 에너지와 같은 여러 특성을 성공적으로 예측한다.

최근에는 계산 능력의 비약적 발전으로, 격자 양자 색역학을 이용해 핵자 자체의 질량과 같은 기본 특성을 첫 원리에서 계산하는 데 성공했다[7]. 더 나아가, 헬륨-4와 같은 매우 가벼운 원자핵의 결합 에너지를 격자 양자 색역학으로 계산하는 초기 결과도 보고되었다. 이러한 계산들은 양자 색역학이 원자핵 물리학의 근본적인 토대임을 보여준다.

현대 핵 구조 이론의 궁극적인 목표는 양자 색역학으로부터 출발하여 중원자핵과 같은 복잡한 체계의 성질을 예측하는 것이다. 이는 다양한 유효 이론들과 고성능 계산을 결합한 다중 스케일 접근법을 통해 추구되고 있다.

산란 실험은 원자핵의 크기, 모양, 내부 구조 및 핵력을 연구하는 핵심적인 실험 방법이다. 이 실험에서는 알파 입자, 양성자, 중성자, 전자 또는 더 무거운 이온과 같은 탐사체를 표적 원자핵에 충돌시켜, 산란된 입자의 각도 분포와 에너지를 측정한다. 이 측정 데이터를 분석함으로써 표적 핵에 대한 정보를 간접적으로 추론할 수 있다.

가장 유명한 초기 산란 실험은 어니스트 러더퍼드의 금박 실험이다. 그는 알파 입자를 얇은 금박에 쏘았을 때 대부분의 입자가 통과하지만 일부는 큰 각도로 튕겨 나오는 것을 관찰했다. 이 결과는 원자의 질량 대부분이 매우 작고 조밀한 원자핵에 집중되어 있다는 결론을 이끌어냈으며, 톰슨 원자 모델을 기각하는 결정적 증거가 되었다.

현대의 산란 실험은 가속기를 사용하여 탐사체를 고에너지로 가속한다. 주요 실험 기법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

예를 들어, 고에너지 전자를 이용한 탄성 산란 실험은 핵 내 양성자의 공간 분포, 즉 핵의 전하 반지름을 정밀하게 측정할 수 있다. 한편, 중성자나 중이온을 이용한 비탄성 산란 실험은 핵을 들뜬 상태로 만들어, 핵의 에너지 준위와 집단 모델에서 예측하는 진동 또는 회전 에너지 대를 검증하는 데 사용된다. 이러한 실험 데이터는 껍질 모델이나 액적 모델과 같은 핵 구조 모델의 예측을 검증하고 개선하는 데 필수적이다.

핵 분광학은 핵의 에너지 준위, 스핀, 반전성 등의 양자 상태를 측정하고 분석하는 실험 기법이다. 이를 통해 핵의 구조와 핵자 간 상호작용에 대한 정보를 얻는다.

주요 방법으로는 감마선 분광학이 널리 사용된다. 핵이 들뜬 상태에서 바닥 상태로 천이할 때 방출하는 감마선의 에너지와 강도를 측정하여 에너지 준위도를 작성한다. 다른 방법으로는 하전 입자 분광학이 있으며, 핵반응이나 붕괴를 통해 방출되는 양성자나 알파 입자 등의 에너지 스펙트럼을 분석한다. 실험 데이터는 종종 복잡한 감마선 스펙트럼으로 나타나며, 고해상도 검출기와 컴퓨터 분석을 통해 각 피크가 특정 핵 천이에 대응함을 확인한다.

핵 분광학의 결과는 핵 모델을 검증하는 데 결정적 역할을 한다. 예를 들어, 특정 에너지 준위 간격과 천이 확률은 껍질 모델의 예측과 비교된다. 또한, 마법수를 가진 안정한 핵 주변에서 발견되는 긴 들뜬 상태의 수명은 껍질 구조의 증거가 된다. 집단 모델에서 예측하는 회전대나 진동대와 같은 에너지 준위 군도 핵 분광학을 통해 관측된다.

이러한 실험 데이터는 핵의 구조를 이해하고, 핵력의 정확한 특성을 규명하며, 원자핵 합성과 같은 천체물리학적 과정을 연구하는 데 기초 자료로 활용된다.

핵 에너지는 원자핵의 구조 변화, 즉 핵반응을 통해 방출되는 에너지를 의미한다. 이 에너지는 핵자(양성자와 중성자) 사이에 작용하는 강한 상호작용인 핵력에 기인하며, 질량 결손을 통해 거대한 양으로 방출된다. 핵 에너지의 대표적인 방출 방식은 무거운 핵이 분열하는 핵분열과 가벼운 핿이 융합하는 핵융합이다.

핵분열 에너지는 주로 우라늄-235이나 플루토늄-239 같은 무거운 동위원소의 핵이 중성자를 흡수해 불안정해진 후 두 개의 가벼운 핵으로 쪼개지면서 방출된다. 이 과정에서 추가 중성자와 감마선이 방출되며, 연쇄 반응이 가능하다. 이 원리를 이용한 것이 원자력 발전소와 원자폭탄이다. 핵융합 에너지는 수소 동위원소들이 극고온·고압 상태에서 헬륨 등의 더 무거운 핿으로 합쳐질 때 방출된다. 이는 태양을 비롯한 항성의 주요 에너지원이며, 인류는 이를 제어하여 에너지원으로 활용하기 위한 연구(예: 토카막, 관성 가둠)를 진행 중이다.

핵 에너지의 활용은 막대한 전기 생산이라는 장점과 함께 방사성 폐기물 처리와 사고 위험이라는 과제를 동시에 안고 있다. 또한 핵융합 에너지는 거의 무한한 연료와 높은 안전성 잠재력으로 인해 미래의 청정 에너지원으로 주목받고 있다.

원자핵 연구에서 얻은 지식과 기술은 의료 및 다양한 산업 분야에 광범위하게 응용된다. 가장 잘 알려진 응용 분야는 방사성 동위원소를 이용한 진단과 치료이다. 예를 들어, 암 치료에 사용되는 방사선 치료는 코발트-60이나 세슘-137과 같은 방사성 동위원소에서 방출되는 감마선을 이용한다. 진단 목적으로는 단일광자방출단층촬영(SPECT)에 테크네튬-99m을, 양전자방출단층촬영(PET)에 플루오린-18을 사용하여 신체 내부의 생리적, 대사적 활동을 영상화한다.

산업 분야에서는 방사선 조사 기술이 널리 사용된다. 감마선 또는 전자빔을 이용하여 의료 기기의 멸균, 식품의 보존 기간 연장, 고분자 소재의 성질 개선 등을 수행한다. 또한, 방사성 추적자를 사용하여 공정 내 물질의 흐름을 추적하거나, 파이프의 누출 지점을 검출하는 데 활용된다. 중성자를 이용한 비파괴 검사는 항공기 엔진 부품이나 원자력 발전소 구조물의 내부 결함을 정밀하게 검사하는 데 필수적이다.

이러한 응용 기술들은 원자핵의 방사성 붕괴, 핵반응에 대한 이해를 바탕으로 지속적으로 발전하고 있다. 최근에는 양성자 치료와 같은 표적형 입자 치료 기술이 발전하여 주변 정상 조직의 손상을 최소화하면서 종양에 고선량의 방사선을 전달할 수 있게 되었다. 산업 분야에서도 방사성 폐기물의 처리와 감축 기술, 그리고 더 안전하고 효율적인 방사선 활용 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.