기본 상호 작용

원자의 구성

물질은 원자로 구성되어 있다. 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 양성자와 중성자는 쿼크라고 부르는 더 작은 입자로 이루어져 있다.

기본 상호 작용
자연계에는 네 가지 기본적인 힘이 존재한다. 질량에 의해 발생하는 중력 상호 작용, 전하에 의해 발생하는 전자기적 상호 작용, 양성자를 결합시키는 강한 상호 작용, 중성자를 자연 붕괴시켜 양성자와 전자로 분리시키는 약한 상호 작용으로, 이 네가지 힘을 기본 상호 작용이라고 한다.

이러한 미시 세계의 힘들 사이의 역학 관계는 고전 역학으로 설명할 수 없는 것이 많아 상호 작용이라는 표현으로 각각의 현상을 설명하고 있다.

중력 상호 작용
중력자의 방출, 전달, 흡수에 의해 나타나는 것으로, 고전 역학에서는 이 중력 상호 작용의 결과로 나타나는 것을 만유인력이라고 부른다.
중력 상호 작용은 질량을 가진 모든 물체 사이에서 작용한다. 같은 거리에서 중력 상호 작용을 1이라고 했을때 강한 상호 작용은 10^38으로 중력 상호 작용의 힘은 약하다. 그러나 중력 상호 작용은 먼 거리까지 영향을 미치며, 상호 작용 중에 유일하게 전자, 양성자, 중성자 등 모든 입자에서 나타나는 상호 작용이다.

전자기적 상호 작용
전기와 자기에 의해 나타나는 상호 작용을 전자기적 상호 작용이라고 한다. 이 힘은 냉장고, 컴퓨터, 에어컨, 그리고 비행기 등 생활 주변에서 흔히 볼 수 있는 여러 가지 물품에 이용되고 있다.

전기력
전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고 한다. 전기력의 존재를 처음 알게 된 것은 마찰 된 호박이 지푸라기를 끌어당기는 현상을 발견한 때 부터이다. 자연에는 (+)전하와 (-)전하가 존재하는데, 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고 다른 종류의 전하끼리는 끌어당긴다. 전기력은 중력과 유사하게 거리의 제곱에 반비례하고, 전하량의 곱에 비례한다.

자기력
자기력은 자석과 자석 사이에 작용하는 힘을 말한다. 자석이 쇠붙이를 끌어당기는 현상을 발견함으로써 그 존재를 알게 되었다.

전자기력
전기력과 자기력은 서로 관련이 없는 힘으로 알고 있었으나 전자기 유도 현상이 발견된 후 전기력과 자기력을 하나의 힘인 전자기력으로 이해할 수 있게 되었다. 맥스웰이 전기력과 자기력을 통합한 방정식을 유도함으로써 빛이 전자기파의 일종임을 알게 되었으며, 전하를 띤 입자와 전자기파를 모두 설명할 수 있는 전자기학이 발달하게 되었다. 전자기력을 전달하는 입자는 광자이다.

강한 상호 작용
매우 짧은 거리에서만 작용하는 상호 작용으로, 힘의 크기는 나머지 3개의 상호 작용보다 훨씬 커서 강핵력이라고 부른다. 강한 상호 작용은 2개의 소립자가 약 10^-15m 이하의 거리에서 작용하여 양성자와 중성자, 파이온 중간자와 핵자, 쿼크 사이에 작용하여 입자들을 결합시킨다. 쿼크 모형에서는 쿼크와 글루온을 흡수 또는 방출하는 과정에서 강한 상호 작용이 발생한다.

일본의 물리학자 유카와 히데키는 핵자 사이의 강한 상호 작용을 설명하기 위해 양성자와 중성자 사이에 새로운 입자가 존재할 것이라고 예측하였다. 이 입자의 질량은 전자와 핵자의 중간 정도이기 때문에 '중간자'라고 하였다. 그가 예측한 대로 중간자의 일종인 파이온이 발견되었으며, 나중에 양성자, 중성자 및 중간자는 모두 쿼크라는 더 기본적인 입자로 이루어졌음을 알게 되었다.

약한 상호 작용(약핵력)
약한 상호 작용은 중성자가 양성자와 전자로 붕괴될 때 발견한 상호 작용이다. 힘의 세기가 전기적 상호 작용의 10^-12배 정도로 매우 약해 약핵력이라고 부르며, 중성자가 양성자와 전자로 붕괴될 때 또는 양성자가 중성자와 양전자로 붕괴될 때 작용하는 상호 작용이다. 중성자는 붕괴될 때 양성자, 베타 입자로 분리되고 이때 중성미자가 나오는데, 베타 입자는 현재는 전자임이 밝혀졌지만 발견 당시에는 무엇인지 몰라 베타 입자라 이름 붙였다. 이러한 붕괴를 베타 붕괴라 하고, 이때 약핵력이 작용한다. 약핵력은 패리티가 보존되지 않는 특징을 지닌다.

기본 상호 작용의 발견
중력 상호 작용과 전자기적 상호 작용은 멀리 떨어져 있어도 작용하는 힘인데 비해 강핵력과 약핵력은 매우 짧은 거리에서만 작용하는 힘이다. 따라서 강핵력과 약핵력은 원자 수준의 미시적인 세계에서만 나타나며, 20세기에 들어서야 발견되었다. 20세기에는 미시 세계를 설명하는 양자역학이 만들어졌고, 미시적인 입자를 다루는 기술이 비약적으로 발전하였다.