단원자 분자

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1. 개요

단원자 분자는 하나의 원자로만 구성된 분자를 의미한다. 표준 온도 및 압력에서 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈과 같은 비활성 기체가 단원자 분자로 존재한다. 이들은 최외각 전자껍질이 채워져 있어 반응성이 낮다. 단원자 기체의 열역학적 특성으로, 단일 원자의 운동 에너지는 3/2kBT이며, 1몰의 에너지는 3/2RT이다. 단열 과정에서 이상적인 정압비열비는 5/3이다.

단원자 분자

개요

종류	기체
구성	원자핵과 전자
상호작용	약한 상호작용 강한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용
전하	0
짝입자	반헬륨 등

기본 정보

정의	자유 원자로 구성된 기체

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1. 개요
2. 비활성 기체
3. 열역학적 특성

2. 비활성 기체

비활성 기체는 표준 온도 및 압력(STP)에서 안정적인 단원자 분자로 존재하는 유일한 화학 원소이다. 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈이 이에 해당한다. 비활성 기체는 최외각 전자껍질이 완전히 채워져 있어 화학 반응성이 매우 낮다. 역사적으로는 완전히 불활성 기체로 알려졌으나, 네온과 헬륨을 제외한 다른 비활성 기체 화합물이 합성되었다.

동핵 이원자 기체(예: 질소)와 함께 분류할 때, 비활성 기체는 분자이기도 한 화합물과 구분하기 위해 "원소 기체"라고 부른다.

3. 열역학적 특성

등분배 정리에 의해, 열역학적 온도 T에서 단원자 기체의 단일 원자의 운동 에너지는 3/2k_BT로 주어진다. 여기서 k_B는 볼츠만 상수이다. 1몰의 원자는 아보가드로 수(N_A)만큼의 원자를 포함하므로, 단원자 기체 1몰의 에너지는 3/2k_BTN_A = 3/2RT이다. 여기서 R은 기체 상수이다.

단열 과정에서 단원자 기체는 이상적인 γ-인자(C_p/C_v)가 5/3인 반면, 상온에서 회전(진동은 아님)도 기여하는 이상적인 이원자 기체의 경우 7/5이다.