양성자는 양전하를 띤 입자로, 모든 원자의 중심에 있는 원자핵 안에서 발견된다. 지름은 약 1.7펨토미터로, 전하 반지름(전하의 평균 반지름)의 2배로 잰 값이다. 1펨토미터는 10억분의 1미터의 100만분의 1(10⁻¹⁵미터)이다.

크기

양성자에는 단단한 표면이 없다. 양성자는 쿼크라는 더 작은 입자 세 개, 곧 위 쿼크 두 개와 아래 쿼크 한 개가 모인 구름으로, 이들은 강력으로 묶여 있다. 강력은 양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 이루게 하는 바로 그 힘이다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 제시하는 전하 반지름의 권장값은 0.84075펨토미터이다. 불확도는 1% 미만이다.

양성자의 크기를 재는 주된 방법은 두 가지이다. 하나는 전자를 양성자에 쏘아 어떻게 튕겨 나오는지 기록하는 것이다. 다른 하나는 수소 원자가 내는 빛을 측정하는 것이다. 양성자가 점이 아니기 때문에 수소 원자의 에너지 준위가 아주 조금 이동한다.

크기 비교

원자핵 안에서 양성자의 짝인 중성자는 크기가 거의 같다. 같은 방식, 곧 자성이 퍼져 있는 정도로 재면 두 반지름의 차이는 2% 미만이다.
양성자 두 개와 중성자 두 개로 이루어진 헬륨 원자핵은 지름이 약 3.4펨토미터로, 양성자 하나의 지름의 2배이다.
양성자 하나와 그 둘레의 전자 하나로 이루어진 수소 원자는 지름이 약 0.1나노미터로, 그 안의 양성자 지름의 대략 6만 배이다. 1나노미터는 10억분의 1미터이다.
양성자를 농구공 크기로 확대한다면, 그 둘레의 수소 원자는 지름이 약 15킬로미터일 것이다.
양성자 약 600억 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 약 0.1밀리미터에 해당한다.

양성자 반지름 퍼즐

2010년 이전에는 두 방법 모두 반지름이 약 0.88펨토미터라는 값을 내놓았다. 그해 스위스 파울 셰러 연구소의 연구팀이 전자를 뮤온으로 바꾼 수소 원자를 측정했다. 뮤온은 전자와 비슷한 입자이지만 약 200배 무겁다. 그래서 양성자에 훨씬 더 가까이서 돌며, 양성자의 크기에 훨씬 더 민감하다. 연구팀이 얻은 값은 0.84184펨토미터로, 약 4% 작았다. 측정 오차 탓으로 돌리기에는 너무 큰 차이였다.

물리학자들은 이 불일치를 양성자 반지름 퍼즐이라고 불렀고, 일부는 이것이 알려지지 않은 자연의 힘의 징후이기를 바랐다. 2019년 미국 버지니아주의 제퍼슨 연구소에서 진행된 PRad 실험은 새로운 방식의 전자 산란 측정을 보고했는데, 이 측정에서는 0.831펨토미터가 나와 더 작은 값과 일치했다. 2026년에는 독일 막스 플랑크 양자광학 연구소가 일반 수소를 정밀하게 연구한 결과도 이 값과 일치했으며, 연구진은 이 퍼즐이 해결되었다고 설명한다.

모든 원소의 구성 요소

원자핵 속 양성자의 수가 그 원자가 어떤 원소인지를 결정한다. 양성자가 하나인 원자는 모두 수소이고, 여섯 개인 원자는 모두 탄소이다. 양성자의 질량은 전자의 1,836배이므로, 원자핵 속 양성자와 중성자가 원자 질량의 거의 전부를 차지한다.

출처

Proton rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Proton-electron mass ratio. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Summary Tables: Baryons. Particle Data Group, 2025.
New Measurement Yields Smaller Proton Radius. Jefferson Lab, 2019.
Protons - smaller than we thought. Paul Scherrer Institute, 2010.
Precision to the thirteenth decimal place. Max Planck Institute of Quantum Optics, 2026.
How big is the alpha particle? Laser spectroscopy provides new results with record precision. Max Planck Institute of Quantum Optics, 2021.
Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Bohr radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
Atomic Structure and Symbolism. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.

Report a Problem

for 양성자