원자
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1. 개요
원자는 더 이상 쪼개지지 않는 물질의 기본 입자라는 고대 그리스어에서 유래된 용어이다. 19세기 초 존 돌턴은 원자론을 통해 물질이 불연속적인 단위로 구성되어 있음을 밝혔다. 원자는 전자, 양성자, 중성자로 구성되며, 양성자와 중성자는 원자핵을 이루고 전자는 그 주위를 돈다. 원자핵 내 양성자 수에 따라 원소의 종류가 결정되며, 중성자 수에 따라 동위원소가 결정된다. 원자는 다양한 성질을 가지며, 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체, 플라스마 상태로 존재할 수 있다. 원자 모형은 톰슨, 러더퍼드, 보어, 슈뢰딩거 등의 과학자들에 의해 발전해 왔으며, 현대 과학에서 원자론은 원자 광학, 나노 과학, 핵물리학, 입자물리학 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
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- 원자 - 원자 모형
원자 모형은 원자 구조를 설명하기 위해 제시된 다양한 모델들의 변천사로, 돌턴 모형, 톰슨 모형, 러더퍼드 모형, 보어 모형을 거쳐 현대 원자 모형에 이르기까지 발전해 왔다. - 원자 - 원자핵
원자핵은 원자 질량의 대부분을 차지하는 양전하 입자로, 양성자와 중성자로 구성되어 핵력에 의해 결합되어 있으며, 양성자 수는 원소 종류, 중성자 수는 동위원소를 결정하고 핵융합 및 핵분열 연구에 중요한 역할을 한다. - 화학 - 합금
합금은 금속을 포함한 두 가지 이상의 원소 혼합물로, 비율과 종류를 조절하여 순수 금속과 다른 특성을 나타내며 다양한 산업 분야에서 활용되는 물질이다. - 화학 - 솔베이 회의
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핵무기 설계는 핵분열 및 핵융합 반응을 이용하여 막대한 에너지를 방출하는 핵무기를 설계하는 복잡한 과정으로, 핵분열성 물질의 임계 질량을 초임계 질량으로 신속하게 조립하는 다양한 방식과 고급 기술이 적용되며, 효율성 증대 및 안전성 확보, 방사능 낙진 최소화 등의 기술적·공학적 도전 과제들이 존재한다.
| 원자 | |
|---|---|
| 분류 | |
| 정의 | 화학 원소의 가장 작은 단위 |
| 성질 | |
| 질량 범위 | ~ |
| 전하량 | 중성 또는 이온 전하 |
| 직경 범위 | 62 pm (He) ~ 520 pm (Cs) (데이터 페이지) |
| 구성 요소 | 전자 및 양성자와 중성자로 구성된 원자핵 |
| 일반 정보 | |
| 질량 범위 | - |
| 전하 | 제로(중성) 또는 이온 전하 |
| 전하 반지름 | 31 pm (He) - 298 pm (Cs) (원자 반지름) |
| 구성 | 양성자와 중성자로 구성된 원자핵 및 전자 |
| 이론화 | 존 돌턴 (19세기) |
| 상호작용 | 약한 상호작용 강한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용 |
| 반입자 | 반원자 |
| 기타 | |
| 영어 | atom |
| 일본어 | 原子 (げんし, genshi) |
| 한국어 | 원자 |
| 관련 용어 | 원자 (동음이의) |
 | |
2. 어원
원자(原子)라는 용어는 우다가와 요안이 독일어 atom을 번역한 것이다. 이 독일어 atom은 고대 그리스어 ''a-tomos''에서 온 것으로서 '''더 이상 나뉠 수 없는'''(''a-'': 부정, ''tomos'': 쪼갬)이라는 뜻을 갖고 있다. 이 뜻과는 약간 달리 동양에서 쓰이는 원자(原子)라는 한자어는 물체의 근본이 되는 것이라는 현대 물리학적 해석에 준용하여 atom을 번역한 것이다.
atom이라는 낱말은 언어적으로 고대 그리스어에 뿌리가 있을 뿐만 아니라, 그 추상적 개념은 이미 기원전 5세기에 고대 그리스 철학자 데모크리토스가 쓴 것이다. 이러한 어원대로라면 당대에 알고 있는 가장 작은 기본 단위(현재는 쿼크와 렙톤)가 원자가 되어야 마땅하겠지만, 물리학과 화학에서는 이 항목의 정의에 따른다.
3. 역사
세상의 물질들이 작은 입자들로 이루어져 있다는 사상은 고대 그리스와 인도에서부터 발견된다. 이는 과학적 방법이 아닌, 철학적 논증의 결과였다.[131][132]
물질이 매우 작고 더 이상 나눌 수 없는 입자들로 이루어져 있다는 생각은 여러 고대 문화권에서 나타난 오래된 개념이다. "원자"라는 단어는 고대 그리스어 "atomos"에서 유래되었는데, "자를 수 없는"이라는 의미를 지닌다. 그러나 이러한 고대의 개념은 철학적 추론에 기반을 두었으며, 현대 원자론은 이러한 개념에 기반을 두지 않는다.[2][3] 19세기 초, 존 돌턴은 물질이 불연속적인 단위로 구성되어 있다는 증거를 발견하고 "원자"라는 단어를 적용하였다.[4]
존 돌턴은 1803년에 과학자들의 실험 결과를 분석하여 화합물이 만들어질 때 필요한 원소의 질량비가 간단한 정수비를 나타낸다는 사실을 발견하고, 이를 배수 비례의 법칙이라는 이름으로 발표한다. 이 법칙은 각 화학 원소가 무게의 기본 단위에 따라 다른 원소와 결합하고 있음을 시사했고, 돌턴은 이러한 단위를 "원자"라고 부르기로 했다.[5]
돌턴은 논문에서 세 종류의 화학반응을 예로 들었다. 첫 번째 예시는 산화 주석이다. 검은 가루(SnO)는 주석 88.1%와 산소 11.9%로 이루어져 있고, 흰 가루(SnO2)는 주석 78.7%와 산소 21.3%로 이루어져 있다. 이는 질량비로 나타내면 검은 가루는 주석 100g에 산소 13.5g이고, 흰 가루는 주석 100g에 산소 27g이다. 이 때 필요한 산소의 질량인 13.5와 27은 1:2의 정수비를 가진다. 실제로 각 산화물은 주석 1개당 산소 1개 혹은 2개를 가져간다.[133][134]
두 번째 예시는 산화 철이다. 검은 가루는 78.1%의 철과 21.9%의 산소, 빨간 가루는 70.4%의 철과 29.6%의 산소로 이루어져 있다. 이는 질량비로 나타내면 검은 가루는 철 100g에 산소 28g이고, 붉은 가루는 철 100g에 산소 42g이다. 이 때 필요한 산소의 질량인 28과 42은 2:3의 정수비를 가진다. 실제로 각 산화물은 철 2개당 산소 2개 혹은 3개를 가져간다.[135][136]
마지막으로 돌턴은 질소 산화물을 예시로 든다. 아산화 질소는 63.3%의 질소와 36.7%의 산소로, 일산화 질소는 44.05%의 질소와 55.95%의 산소로, 이산화 질소는 29.5%의 질소와 70.5%의 산소로 이루어져 있다. 이는 곧 각각 140g의 질소마다 80g의 산소, 160g의 산소, 320g의 산소가 필요하다는 의미인데, 이 필요한 산소의 질량비는 1:2:4의 비율을 이룬다.[137][138]
18세기 후반에 기체가 작은 입자들의 집합체로 해석함으로써 통계학과 확률론 등을 통해 실제 기체의 운동을 잘 설명할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 돌턴의 원자론이 기체의 화학반응을 통해 물질의 구성성분이 입자임을 밝혔다면, 기체 분자 운동론은 물리적 성질을 통해 밝혔다는 의의가 있다.
1827년 식물학자 로버트 브라운은 현미경을 통해 물 위에 뜬 티끌들이 변덕스럽게 움직이는 현상을 발견하고, 브라운 운동이라 이름붙였다.[139] 사람들은 여기 원자론을 적용하여 물 분자들이 티끌과 무작위적으로 충돌함으로써 이러한 현상이 발생한다고 추측했다. 1905년 알버트 아인슈타인은 통계물리학을 통해 브라운 운동의 원인이 실제로 분자의 자발적 운동이라는 것을 밝혔다.[139] 프랑스의 물리학자 장 페랭은 아인슈타인의 이론을 실험으로 검증하여 1926년 노벨 물리학상을 받는다.[139]
조지프 존 톰슨은 1897년 음극선이 전자기파의 일종이 아닌, 수소보다 1,800배나 가벼운 입자로 이루어진 빔이라는 사실을 발견했다.[140] 이는 원자보다 가벼운 입자가 존재함을 시사하는 것이었다. 이 입자는 처음으로 발견된 아원자 입자로 처음에는 소체(小體)라는 의미의 ''corpuscle''라 불렸으나, 이후 전자로 다시 명명된다.[14] 톰슨은 전자가 광전 및 방사성 물질에서 방출되는 입자와 동일하다는 것을 보여주었다.[15][85] 금속 내부에서 흐르는 전류의 원인이 전자라는 사실도 곧 밝혀졌다.[86]
원자로 이루어진 음극 판에서 음극선이 방출되므로, 원자가 쪼개질 수 있다는 사실이 분명하게 드러났다. 톰슨은 전류는 전자가 한 원자에서 다음 원자로 이동하는 것이며, 전류가 없을 때 전자는 원자에 내장된다는 것을 설명했다. 이것은 과학자들이 생각했던 것처럼 원자가 나눌 수 없는 것이 아니라는 것을 의미했다. 원자는 음전하를 띤 전자로 구성되었으며, 그 음전하는 전기적으로 중성인 원자를 만들기 위해 어떤 양전하원에 의해 균형을 이루었다. 톰슨은 이온은 전자가 과잉이거나 부족한 원자여야 한다고 설명했다.[16]
어니스트 러더퍼드는 알파 입자의 비전하를 측정하는 실험 도중 알파 입자가 측정 기구 내부 공기 중에서 산란되는 현상을 발견한다.[142] 톰슨은 음극선 실험에서 இதே 문제를 겪었지만, 기구 내부를 진공으로 만들어 해결했다. 그러나 러더퍼드는 전자보다 훨씬 무거운 알파 입자를 사용했기 때문에, 톰슨의 푸딩 모형으로는 설명하기 어려운 알파 입자의 산란 현상이 계속 발생했다.[142][88]
1908년부터 1913년까지 러더퍼드는 한스 가이거, 어니스트 마즈든과 함께 얇은 금속 박에 알파 입자를 충돌시키는 실험을 진행했다.(러더퍼드-가이거-마스덴 실험)[19][88] 실험 결과, 대부분의 알파 입자는 금박을 통과했지만 일부는 90° 이상 큰 각도로 산란되는 현상이 관측되었다.[142] 이는 톰슨의 푸딩 모형으로는 설명할 수 없는 결과였다. 톰슨 모형에서는 양전하가 원자 전체에 퍼져있어 강한 전기장을 형성할 수 없기 때문이다.[19]
(좌) 예상되는 결과: 알파 입자는 푸딩 모델을 통과하며, 굴절은 매우 적다.
(우) 관측된 결과: 일부 알파 입자가 강한 굴절을 보였다.
러더퍼드는 이러한 실험 결과를 바탕으로 원자의 양전하가 원자 중심의 아주 작은 부피에 집중되어 있고, 전자는 이 원자핵을 둘러싸고 있다는 새로운 원자 모형을 제안했다.[19] 이 모형은 원자핵의 존재를 처음으로 제시했으며, 행성 모형이라고도 불린다.[142]
닐스 보어는 1913년에 러더퍼드 원자 모형의 한계를 보완하기 위해 양자화된 궤도 개념을 도입한 새로운 원자 모형을 제시했다. 이 모형에서 전자는 특정 궤도에서만 원자핵 주위를 공전하며, 광자를 흡수하거나 방출하면서 에너지가 불연속적으로 변할 때만 궤도 사이를 이동할 수 있다. 이러한 양자화를 통해 전자의 궤도가 안정적인 이유와 원자가 불연속적인 스펙트럼에서 전자기 복사를 흡수 및 방출하는 이유를 설명할 수 있었다.
같은 해 말, 헨리 모즐리는 보어 모형을 뒷받침하는 실험 결과를 발표했다. 이 실험은 어니스트 러더포드와 안토니우스 반 덴 브룩의 가설, 즉 원자는 원자번호 갯수만큼의 핵전하를 띌 것이라는 가설을 검증하여 원자 번호가 물리적 의미를 가진다는 사실을 밝혔다.[143]
1916년 길버트 뉴턴 루이스는 원자 간의 화학 결합이 구성 전자 간의 상호 작용에 의해 형성된다고 설명했다. 1919년 미국의 화학자 어빙 랭뮤어는 원소의 화학적 성질이 주기율에 따라 주기적으로 반복되는 이유[144]는 원자 내의 전자들이 전자껍질을 채우며 집단을 이루기 때문이라고 제안했다.
보어 모형은 당시까지 밝혀진 원자의 성질들을 성공적으로 설명할 수 있는 최초의 완전한 원자 모형이었으나, 수소가 아닌 다른 원자들의 선스펙트럼을 설명하지 못하고, 등속 원운동을 할 때 라모 공식에 따라 광자가 방출되어야 한다는 문제점이 있었다. 이후 슈뢰딩거에 의해 더 정확한 원자 모형이 제시되었다.
1922년 슈테른-게를라흐 실험을 통해 원자의 속성들이 양자화되어있다는 것이 밝혀졌다. 은 원자 빔이 불균질한 자기장 내부를 통과하면서 경로가 두 갈래로 갈라지는 현상은 원자의 자기 모멘트가 양자화되어 있기 때문에 나타난다. 1925년 베르너 하이젠베르크는 양자화된 성질을 다루는데 유용한 행렬 역학을 처음으로 제안한다.[145] 그 작년인 1924년에는 루이 드 브로이가 모든 입자는 파동의 성질을 가진다는 가설인 물질파를 제안했다.[146] 에르빈 슈뢰딩거는 이 가설을 바탕으로 슈뢰딩거 방정식을 유도하여 원자를 삼차원 파형을 가진 파동으로 해석했다.[147]
입자를 파동으로 해석함으로써 위치와 운동량을 동시에 정밀하게 측정하는 것이 불가능하다는 불확정성 원리가 자연스럽게 유도되었다.[145][148] 이 모델은 기존의 보어 모형으로는 설명할 수 없었던 원소들의 선 스펙트럼을 완벽하게 설명할 수 있었고, 실제 관측 결과와도 잘 부합하여 원자 오비탈 개념이 채택되었다.
같은 해 10월, 독일의 과학자 보른은 슈뢰딩거 방정식이 전자의 파동함수가 아니라 전자가 존재할 확률함수라고 해석하였다. 이러한 확률적 해석을 바탕으로 원자 주위에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 확률의 분포를 점으로 찍어 구름처럼 표시하는 현대의 원자모형이 탄생하였다.
질량 분석기의 발달로 원자의 질량을 더 정밀하게 측정할 수 있게 되었다. 프랜시스 윌리엄 애스턴은 이 기구를 통해 동위원소들이 서로 다른 질량을 가지며, 원자 질량이 일정 정수비를 가진다는 정수율을 발견했다. 1932년 제임스 채드윅은 양성자와 비슷한 질량을 가지지만 전하를 띄지 않는 입자인 중성자를 발견하여 이 문제를 해결하였다. 이로써 동위원소는 같은 수의 양성자를 가지지만 다른 수의 중성자를 가지는 입자라는 것이 밝혀졌다.
1928년 발터 보테는 베릴륨이 알파 입자와 충돌할 때 투과력이 강한, 전기적으로 중성인 방사선을 방출한다는 것을 발견했다. 이 방사선은 파라핀 왁스에서 수소 원자를 튕겨낼 수 있었다. 처음에는 고에너지 감마선으로 추정되었으나, 제임스 채드윅은 이온화 효과가 전자기 방사선 때문이라고 하기에는 너무 강하다는 것을 발견했다. 1932년 채드윅은 여러 원소를 "베릴륨 방사선"에 노출시키고, 반발하는 하전 입자의 에너지를 측정하여 이 방사선이 실제로는 양성자와 비슷한 질량을 가진 중성 입자로 구성되어 있다는 것을 알아냈다. 채드윅은 이 입자들을 러더퍼드의 중성자라고 주장했다.[27]
오토 한은 초우라늄 원소를 만들고자 중성자를 우라늄 원자에 충돌시켰으나, 예상과는 다르게 우라늄보다 더 가벼운 원소인 바륨이 생성되었다. 이듬해 리제 마이트너와 그녀의 조카인 오토 프리슈는 한이 수행한 실험이 최초의 실험적인 핵분열 반응임을 확인했다. 1944년, 한은 노벨 화학상을 수상한다.
1950년대에 고성능의 입자 가속기와 입자 검출기가 만들어짐에 따라 과학자들은 고에너지 상태에서의 원자의 행동을 연구하기 시작했다. 이후 연구결과가 이어지며 중성자와 양성자가 강입자에 속하며, 쿼크라는 더 작은 입자들로 구성된다는 사실이 밝혀졌다. 아원자 입자들로 구성된 원자핵의 성질, 아원자 입자들의 상호작용 등을 설명하기 위해 소립자 물리학의 표준 모형도 만들어졌다.
3. 1. 원자설
세상의 물질들이 작은 입자들로 이루어져 있다는 사상은 고대 그리스와 인도에서부터 발견된다. 이는 과학적 방법이 아닌, 철학적 논증의 결과였다.[131][132]
물질이 매우 작고 더 이상 나눌 수 없는 입자들로 이루어져 있다는 생각은 여러 고대 문화권에서 나타난 오래된 개념이다. "원자"라는 단어는 고대 그리스어 "atomos"에서 유래되었는데, "자를 수 없는"이라는 의미를 지닌다. 그러나 이러한 고대의 개념은 철학적 추론에 기반을 두었으며, 현대 원자론은 이러한 개념에 기반을 두지 않는다.[2][3] 19세기 초, 존 돌턴은 물질이 불연속적인 단위로 구성되어 있다는 증거를 발견하고 "원자"라는 단어를 적용하였다.[4]
3. 2. 돌턴의 배수 비례의 법칙
존 돌턴은 1803년에 과학자들의 실험 결과를 분석하여 화합물이 만들어질 때 필요한 원소의 질량비가 간단한 정수비를 나타낸다는 사실을 발견하고, 이를 배수 비례의 법칙이라는 이름으로 발표한다. 이 법칙은 각 화학 원소가 무게의 기본 단위에 따라 다른 원소와 결합하고 있음을 시사했고, 돌턴은 이러한 단위를 "원자"라고 부르기로 했다.[5]
돌턴은 논문에서 세 종류의 화학반응을 예로 들었다. 첫 번째 예시는 산화 주석이다. 검은 가루(SnO)는 주석 88.1%와 산소 11.9%로 이루어져 있고, 흰 가루(SnO2)는 주석 78.7%와 산소 21.3%로 이루어져 있다. 이는 질량비로 나타내면 검은 가루는 주석 100g에 산소 13.5g이고, 흰 가루는 주석 100g에 산소 27g이다. 이 때 필요한 산소의 질량인 13.5와 27은 1:2의 정수비를 가진다. 실제로 각 산화물은 주석 1개당 산소 1개 혹은 2개를 가져간다.[133][134]
두 번째 예시는 산화 철이다. 검은 가루는 78.1%의 철과 21.9%의 산소, 빨간 가루는 70.4%의 철과 29.6%의 산소로 이루어져 있다. 이는 질량비로 나타내면 검은 가루는 철 100g에 산소 28g이고, 붉은 가루는 철 100g에 산소 42g이다. 이 때 필요한 산소의 질량인 28과 42은 2:3의 정수비를 가진다. 실제로 각 산화물은 철 2개당 산소 2개 혹은 3개를 가져간다.[135][136]
마지막으로 돌턴은 질소 산화물을 예시로 든다. 아산화 질소는 63.3%의 질소와 36.7%의 산소로, 일산화 질소는 44.05%의 질소와 55.95%의 산소로, 이산화 질소는 29.5%의 질소와 70.5%의 산소로 이루어져 있다. 이는 곧 각각 140g의 질소마다 80g의 산소, 160g의 산소, 320g의 산소가 필요하다는 의미인데, 이 필요한 산소의 질량비는 1:2:4의 비율을 이룬다.[137][138]
3. 3. 기체 분자 운동론
18세기 후반에 기체가 작은 입자들의 집합체로 해석함으로써 통계학과 확률론 등을 통해 실제 기체의 운동을 잘 설명할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 돌턴의 원자론이 기체의 화학반응을 통해 물질의 구성성분이 입자임을 밝혔다면, 기체 분자 운동론은 물리적 성질을 통해 밝혔다는 의의가 있다.
3. 4. 브라운 운동
1827년 식물학자 로버트 브라운은 현미경을 통해 물 위에 뜬 티끌들이 변덕스럽게 움직이는 현상을 발견하고, 브라운 운동이라 이름붙였다.[139] 사람들은 여기 원자론을 적용하여 물 분자들이 티끌과 무작위적으로 충돌함으로써 이러한 현상이 발생한다고 추측했다. 1905년 알버트 아인슈타인은 통계물리학을 통해 브라운 운동의 원인이 실제로 분자의 자발적 운동이라는 것을 밝혔다.[139] 프랑스의 물리학자 장 페랭은 아인슈타인의 이론을 실험으로 검증하여 1926년 노벨 물리학상을 받는다.[139]
3. 5. 톰슨의 전자 발견
조지프 존 톰슨은 1897년 음극선이 전자기파의 일종이 아닌, 수소보다 1,800배나 가벼운 입자로 이루어진 빔이라는 사실을 발견했다.[140] 이는 원자보다 가벼운 입자가 존재함을 시사하는 것이었다. 이 입자는 처음으로 발견된 아원자 입자로 처음에는 소체(小體)라는 의미의 ''corpuscle''라 불렸으나, 이후 전자로 다시 명명된다.[14] 톰슨은 전자가 광전 및 방사성 물질에서 방출되는 입자와 동일하다는 것을 보여주었다.[15][85] 금속 내부에서 흐르는 전류의 원인이 전자라는 사실도 곧 밝혀졌다.[86]
원자로 이루어진 음극 판에서 음극선이 방출되므로, 원자가 쪼개질 수 있다는 사실이 분명하게 드러났다. 톰슨은 전류는 전자가 한 원자에서 다음 원자로 이동하는 것이며, 전류가 없을 때 전자는 원자에 내장된다는 것을 설명했다. 이것은 과학자들이 생각했던 것처럼 원자가 나눌 수 없는 것이 아니라는 것을 의미했다. 원자는 음전하를 띤 전자로 구성되었으며, 그 음전하는 전기적으로 중성인 원자를 만들기 위해 어떤 양전하원에 의해 균형을 이루었다. 톰슨은 이온은 전자가 과잉이거나 부족한 원자여야 한다고 설명했다.[16]
3. 6. 러더퍼드의 원자핵 발견
어니스트 러더퍼드는 알파 입자의 비전하를 측정하는 실험 도중 알파 입자가 측정 기구 내부 공기 중에서 산란되는 현상을 발견한다.[142] 톰슨은 음극선 실험에서 இதே 문제를 겪었지만, 기구 내부를 진공으로 만들어 해결했다. 그러나 러더퍼드는 전자보다 훨씬 무거운 알파 입자를 사용했기 때문에, 톰슨의 푸딩 모형으로는 설명하기 어려운 알파 입자의 산란 현상이 계속 발생했다.[142][88]
1908년부터 1913년까지 러더퍼드는 한스 가이거, 어니스트 마즈든과 함께 얇은 금속 박에 알파 입자를 충돌시키는 실험을 진행했다.(러더퍼드-가이거-마스덴 실험)[19][88] 실험 결과, 대부분의 알파 입자는 금박을 통과했지만 일부는 90° 이상 큰 각도로 산란되는 현상이 관측되었다.[142] 이는 톰슨의 푸딩 모형으로는 설명할 수 없는 결과였다. 톰슨 모형에서는 양전하가 원자 전체에 퍼져있어 강한 전기장을 형성할 수 없기 때문이다.[19]
러더퍼드는 이러한 실험 결과를 바탕으로 원자의 양전하가 원자 중심의 아주 작은 부피에 집중되어 있고, 전자는 이 원자핵을 둘러싸고 있다는 새로운 원자 모형을 제안했다.[19] 이 모형은 원자핵의 존재를 처음으로 제시했으며, 행성 모형이라고도 불린다.[142]
3. 7. 닐스 보어의 원자 모형
닐스 보어는 1913년에 러더퍼드 원자 모형의 한계를 보완하기 위해 양자화된 궤도 개념을 도입한 새로운 원자 모형을 제시했다. 이 모형에서 전자는 특정 궤도에서만 원자핵 주위를 공전하며, 광자를 흡수하거나 방출하면서 에너지가 불연속적으로 변할 때만 궤도 사이를 이동할 수 있다. 이러한 양자화를 통해 전자의 궤도가 안정적인 이유와 원자가 불연속적인 스펙트럼에서 전자기 복사를 흡수 및 방출하는 이유를 설명할 수 있었다.
같은 해 말, 헨리 모즐리는 보어 모형을 뒷받침하는 실험 결과를 발표했다. 이 실험은 어니스트 러더포드와 안토니우스 반 덴 브룩의 가설, 즉 원자는 원자번호 갯수만큼의 핵전하를 띌 것이라는 가설을 검증하여 원자 번호가 물리적 의미를 가진다는 사실을 밝혔다.[143]
1916년 길버트 뉴턴 루이스는 원자 간의 화학 결합이 구성 전자 간의 상호 작용에 의해 형성된다고 설명했다. 1919년 미국의 화학자 어빙 랭뮤어는 원소의 화학적 성질이 주기율에 따라 주기적으로 반복되는 이유[144]는 원자 내의 전자들이 전자껍질을 채우며 집단을 이루기 때문이라고 제안했다.
보어 모형은 당시까지 밝혀진 원자의 성질들을 성공적으로 설명할 수 있는 최초의 완전한 원자 모형이었으나, 수소가 아닌 다른 원자들의 선스펙트럼을 설명하지 못하고, 등속 원운동을 할 때 라모 공식에 따라 광자가 방출되어야 한다는 문제점이 있었다. 이후 슈뢰딩거에 의해 더 정확한 원자 모형이 제시되었다.
3. 8. 슈뢰딩거의 원자 모형
1922년 슈테른-게를라흐 실험을 통해 원자의 속성들이 양자화되어있다는 것이 밝혀졌다. 은 원자 빔이 불균질한 자기장 내부를 통과하면서 경로가 두 갈래로 갈라지는 현상은 원자의 자기 모멘트가 양자화되어 있기 때문에 나타난다. 1925년 베르너 하이젠베르크는 양자화된 성질을 다루는데 유용한 행렬 역학을 처음으로 제안한다.[145] 그 작년인 1924년에는 루이 드 브로이가 모든 입자는 파동의 성질을 가진다는 가설인 물질파를 제안했다.[146] 에르빈 슈뢰딩거는 이 가설을 바탕으로 슈뢰딩거 방정식을 유도하여 원자를 삼차원 파형을 가진 파동으로 해석했다.[147]
입자를 파동으로 해석함으로써 위치와 운동량을 동시에 정밀하게 측정하는 것이 불가능하다는 불확정성 원리가 자연스럽게 유도되었다.[145][148] 이 모델은 기존의 보어 모형으로는 설명할 수 없었던 원소들의 선 스펙트럼을 완벽하게 설명할 수 있었고, 실제 관측 결과와도 잘 부합하여 원자 오비탈 개념이 채택되었다.
같은 해 10월, 독일의 과학자 보른은 슈뢰딩거 방정식이 전자의 파동함수가 아니라 전자가 존재할 확률함수라고 해석하였다. 이러한 확률적 해석을 바탕으로 원자 주위에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 확률의 분포를 점으로 찍어 구름처럼 표시하는 현대의 원자모형이 탄생하였다.
3. 9. 중성자의 발견
질량 분석기의 발달로 원자의 질량을 더 정밀하게 측정할 수 있게 되었다. 프랜시스 윌리엄 애스턴은 이 기구를 통해 동위원소들이 서로 다른 질량을 가지며, 원자 질량이 일정 정수비를 가진다는 정수율을 발견했다. 1932년 제임스 채드윅은 양성자와 비슷한 질량을 가지지만 전하를 띄지 않는 입자인 중성자를 발견하여 이 문제를 해결하였다. 이로써 동위원소는 같은 수의 양성자를 가지지만 다른 수의 중성자를 가지는 입자라는 것이 밝혀졌다.
1928년 발터 보테는 베릴륨이 알파 입자와 충돌할 때 투과력이 강한, 전기적으로 중성인 방사선을 방출한다는 것을 발견했다. 이 방사선은 파라핀 왁스에서 수소 원자를 튕겨낼 수 있었다. 처음에는 고에너지 감마선으로 추정되었으나, 제임스 채드윅은 이온화 효과가 전자기 방사선 때문이라고 하기에는 너무 강하다는 것을 발견했다. 1932년 채드윅은 여러 원소를 "베릴륨 방사선"에 노출시키고, 반발하는 하전 입자의 에너지를 측정하여 이 방사선이 실제로는 양성자와 비슷한 질량을 가진 중성 입자로 구성되어 있다는 것을 알아냈다. 채드윅은 이 입자들을 러더퍼드의 중성자라고 주장했다.[27]
3. 10. 핵분열, 고에너지 및 응집물리학
오토 한은 초우라늄 원소를 만들고자 중성자를 우라늄 원자에 충돌시켰으나, 예상과는 다르게 우라늄보다 더 가벼운 원소인 바륨이 생성되었다. 이듬해 리제 마이트너와 그녀의 조카인 오토 프리슈는 한이 수행한 실험이 최초의 실험적인 핵분열 반응임을 확인했다. 1944년, 한은 노벨 화학상을 수상한다.
1950년대에 고성능의 입자 가속기와 입자 검출기가 만들어짐에 따라 과학자들은 고에너지 상태에서의 원자의 행동을 연구하기 시작했다. 이후 연구결과가 이어지며 중성자와 양성자가 강입자에 속하며, 쿼크라는 더 작은 입자들로 구성된다는 사실이 밝혀졌다. 아원자 입자들로 구성된 원자핵의 성질, 아원자 입자들의 상호작용 등을 설명하기 위해 소립자 물리학의 표준 모형도 만들어졌다.
4. 구조
4. 1. 아원자 입자
"더 이상 나누어지지 않는 것"이라는 원자의 어원이 무색하게, 현대 물리학에서는 원자도 전자, 양성자, 중성자 등의 아원자 입자들로 구성되었다고 말한다.[94]| 입자 | 질량[g] | 상대 질량 | 전하[C] | 상대 전하 |
|---|---|---|---|---|
| 전자 | 9.110×10-28 | 1/1837 | -1.602×10-19 | -1 |
| 양성자 | 1.673×10-24 | 1 | +1.602×10-19 | +1 |
| 중성자 | 1.675×10-24 | 1 | 0 | 0 |
전자는 음의 전하를 띄며, 매우 작아 현대의 기술로 형태를 관측하는 것이 불가능하다.[149] 질량은 로, 중성미자가 발견되기 전까지는 가장 가벼운 입자로 여겨졌다. 일반적으로 양의 전하를 띄는 원자핵 주변에 전자기력으로 포착되어 존재한다. 원자가 가지고 있는 전자의 갯수가 원자번호와 다르면 원자 자체가 전하를 띄게 되는데, 이를 이온이라고 부른다. 조지프 존 톰슨이 1897년에 처음 발견하였다.
양성자는 양의 전하를 띄며, 전자보다 1,836배 더 무거운 의 질량을 가진다. 원자가 가지고 있는 양성자의 갯수는 원자 번호와 동일하다. 어니스트 러더퍼드가 1919년에 질소 원자를 알파 입자와 충돌시키는 실험에서 처음으로 관측하였다.
중성자는 전하를 띄지 않고, 전자보다 1,839배 더 무거운의 질량을 가진다.[95][96] 이 세 종류의 입자들 중 가장 무겁지만 핵결합에너지 때문에 실제 질량은 이보다 작다. 1932년에 제임스 채드윅에 의해 처음으로 발견되었다. 양성자와 중성자는 핵자라고도 불리는데, 둘 다 의 비슷한 크기를 가지지만, 이들 입자의 '표면'은 명확하게 정의되지 않는다.[97]
표준 모형에서 전자는 기본 입자로 보는 반면, 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어진 복합 입자로 본다. 양성자는 + 전하를 가지는 위 쿼크 2개와 − 전하를 가지는 아래 쿼크 1개로 이루어지며, 중성자는 2개의 아래 쿼크와 1개의 위 쿼크로 이루어진다. 쿼크들은 글루온이 매개하는 강한 상호작용으로 서로 묶여있다. 양성자와 중성자는 서로 핵력으로 붙잡고 있는 형태이다. 글루온은 게이지 보손중 하나로 힘의 매개자로 작용한다.
4. 2. 원자핵
원자핵은 양성자와 중성자가 강한 상호작용으로 결합되어 있으며, 이들을 통틀어 핵자라고 부른다.[153] 핵의 반지름은 약 펨토미터(fm)이며 (여기서 는 핵자의 총 수),[98] 이는 105 fm 차수의 원자 반지름보다 훨씬 작다. 핵자들은 강한 잔류력이라고 불리는 단거리 인력 포텐셜에 의해 결합되어 있다. 2.5 fm 미만의 거리에서는 이 힘이 양전하를 띤 양성자들이 서로 밀어내는 정전기력보다 훨씬 강하다.[99]같은 원소의 원자는 원자 번호라고 하는 양성자의 수가 같다. 같은 원소라도 중성자의 수가 다른 경우가 있으며, 이에 따라 그 원소의 동위 원소가 결정된다. 양성자와 중성자의 총 수가 핵종을 결정한다. 양성자에 대한 중성자의 수가 원자핵의 안정성을 결정하며, 어떤 종류의 동위원소는 방사성 붕괴를 일으킨다.
양성자, 중성자, 전자는 페르미온()으로 분류된다. 페르미온은 파울리의 배타 원리를 따르며, 여러 양성자와 같은 동일한 페르미온이 동시에 같은 양자 상태를 점유하는 것을 금지한다. 따라서 원자핵 내의 모든 양성자는 다른 모든 양성자와 다른 양자 상태를 취해야 하며, 원자핵 내의 모든 중성자와 전자구름의 모든 전자에 대해서도 마찬가지이다. 양성자의 수와 중성자의 수가 다른 원자핵은 방사성 붕괴에 의해 양성자와 중성자의 수가 더 가까워짐으로써 더 낮은 에너지 상태로 변화할 가능성이 있다. 그 결과, 양성자와 중성자의 수가 일치하는 원자는 붕괴에 대해 더 안정적이지만, 원자 번호가 증가함에 따라 양성자의 상호 반발에 따른 원자핵의 안정성을 유지하기 위해 중성자의 비율이 증가한다.
원자핵 내 양성자와 중성자의 수를 바꿀 수 있지만, 강한 힘이 작용하기 때문에 매우 높은 에너지가 필요하다. 핵융합은 두 원자핵의 에너지적인 충돌 등에 의해 여러 원자 입자가 결합하여 더 무거운 원자핵을 형성할 때 발생한다. 예를 들어, 태양 중심부에서는 양성자가 상호 반발(쿨롱 장벽)을 극복하고 융합하여 하나의 원자핵을 형성하기 위해 3-10 keV의 에너지가 필요하다. 핵분열은 그 반대 과정으로, 일반적으로 방사성 붕괴에 의해 원자핵이 두 개의 작은 원자핵으로 분열된다. 또한 원자핵은 고에너지의 아원자 입자나 광자와의 충돌에 의해서도 변화할 수 있다. 이에 따라 원자핵 내 양성자의 수가 변하면 원자는 다른 화학 원소로 변한다.
핵융합 반응 후 원자핵의 질량이 개별 입자의 총 질량보다 작은 경우, 두 질량 차이는 알베르트 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리 식, ''e=mc2''(여기서 ''m''은 질량 결손, ''c''는 광속)에서 설명되는 것처럼 이용 가능한 에너지의 한 종류( 감마선이나 베타입자의 운동 에너지 등)로 방출된다. 이 결손은 새로운 원자핵의 결합 에너지의 일부이며, 융합 입자가 이 에너지의 회복 불가능한 손실 때문에 이 에너지를 필요로 하는 상태로 함께 머물러 있는 것이다.[100]
철이나 니켈보다 원자 번호가 작은 원자핵(핵자 수의 합계가 약 60 이하)을 생성하는 두 원자핵의 핵융합은 일반적으로 발열 과정이며, 두 원자핵을 융합하는 데 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 방출한다. 항성의 핵융합을 자립 반응으로 만드는 것은 이 에너지 방출 과정이다. 더 무거운 원자핵에서는 핵자당 결합 에너지가 감소하기 시작한다. 이것은 원자 번호가 약 26보다 크고 질량수가 약 60보다 큰 원자핵을 생성하는 핵융합 과정이 흡열 과정임을 의미한다. 따라서 더 질량이 큰 원자핵은 항성의 정수압 평형을 유지하는 데 필요한 에너지를 생성하는 핵융합 반응을 일으킬 수 없다.
4. 3. 전자 구름
원자 내의 전자들은 핵의 양성자에 의해 전자기력으로 포섭되어 정전기적 퍼텐셜 우물에 둘러싸여 있다. 따라서 전자가 탈출하려면 일정 수준 이상의 에너지가 필요하다.[155] 핵에 가까울수록 더 강한 인력이 작용하여 전자가 탈출하기 위해 더 많은 에너지가 필요하다.
전자는 파동-입자 이중성을 가지며, 전자 구름은 퍼텐셜 우물 내에 형성된 정상파로서 전자가 분포하고 있음을 의미한다. 이 형태는 원자 궤도 또는 오비탈이라고 불리는 확률 분포로 나타나며, 각 오비탈은 크기, 형태, 방향, 에너지 준위가 다르고 양자화되어 있다. 충분한 에너지를 가진 광자를 흡수하면 전자는 더 높은 에너지 준위의 오비탈로 이동할 수 있고, 자연방출을 통해 광자를 방출하며 더 낮은 에너지 준위의 오비탈로 이동할 수도 있다. 각 오비탈간 에너지 차이는 선스펙트럼을 통해 관찰할 수 있다.
전자를 떼기 위한 이온화 에너지는 핵자를 뗄 때 필요한 에너지보다 훨씬 작다.[39] 예를 들어, 정상상태의 수소 원자에서 전자를 떼어내려면 13.6 eV가 필요하지만, 중수소의 원자핵을 쪼개기 위해서는 2.23 MeV가 필요하다. 원자핵에서 멀리 떨어진 전자는 근처의 원자로 이동하거나 여러 원자핵에 동시에 포섭되어 분자를 형성하는 화학 결합을 이룰 수 있다.[155]
5. 성질
5. 1. 핵적 성질
정의에 따르면, 핵 안에 양성자 수가 동일한 두 원자는 같은 화학 원소에 속한다. 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자는 같은 원소의 서로 다른 동위 원소이다. 예를 들어, 모든 수소 원자는 정확히 하나의 양성자를 가지고 있지만, 중성자가 없는 수소-1(프로튬), 중성자가 하나인 중수소, 중성자가 두 개인 삼중수소 및 두 개 이상의 중성자를 가진 동위 원소가 존재한다. 알려진 원소들은 단일 양성자 원소인 수소부터 118개의 양성자를 가진 원소인 오가네손까지이다. 원자 번호가 82보다 큰 원소의 모든 알려진 동위 원소는 방사성이지만, 83번 원소(비스무트)의 방사능은 거의 무시할 만큼 미미하다.[40]지구에는 약 339개의 핵종이 자연적으로 존재하는데, 그중 251개(약 74%)는 붕괴되지 않는 것으로 관찰되었으며, "안정 동위 원소"라고 한다. 이론적으로는 90개의 핵종만 안정적이지만, 다른 161개(총 251개)는 이론적으로 에너지적으로 가능하지만 붕괴되지 않는 것으로 관찰되었다. 이들 또한 공식적으로 "안정적"으로 분류된다. 추가적으로 35개의 방사성 핵종은 반감기가 1억 년 이상이며, 태양계의 탄생 이후로 존재할 만큼 오래 살았다. 이 286개의 핵종의 집합을 원시 핵종이라고 한다. 마지막으로, 원시 핵종 붕괴의 딸 생성물(예: 우라늄으로부터의 라듐) 또는 우주선 충격과 같은 지구상의 자연적인 에너지 과정의 생성물(예: 탄소-14)과 같이 자연적으로 발생하는 것으로 알려진 추가적인 53개의 수명이 짧은 핵종이 있다.[41]
80개의 화학 원소에 대해서는 적어도 하나의 안정 동위 원소가 존재한다. 일반적으로 이러한 원소들에 대해서는 소수의 안정 동위 원소만 존재하며, 원소당 평균 3.1개의 안정 동위 원소가 존재한다. 26개의 "단일 동위 원소 원소"는 단 하나의 안정 동위 원소만 가지고 있으며, 어떤 원소에 대해 관찰된 안정 동위 원소의 수가 가장 많은 것은 주석 원소의 10개이다. 43번, 61번 및 83번 이상의 모든 원소에는 안정 동위 원소가 없다.[42]
동위 원소의 안정성은 양성자 대 중성자의 비율과 중성자 또는 양성자의 특정 "마법수"의 존재에 영향을 받는다. 이러한 양자 껍질은 핵의 껍질 모형 내의 에너지 준위 집합에 해당한다. 주석의 50개 양성자의 채워진 껍질과 같은 채워진 껍질은 핵종에 비정상적인 안정성을 부여한다. 알려진 251개의 안정 핵종 중 4개만이 홀수 개의 양성자와 홀수 개의 중성자를 모두 가지고 있다: 수소-2(중수소), 리튬-6, 붕소-10, 및 질소-14. (탄탈륨-180m은 홀수-홀수이며 관찰적으로 안정적이지만, 매우 긴 반감기로 붕괴될 것으로 예측된다.) 또한, 4개의 자연 발생 방사성 홀수-홀수 핵종만이 10억 년 이상의 반감기를 가지고 있다: 칼륨-40, 바나듐-50, 란탄-138, 및 루테튬-176. 대부분의 홀수-홀수 핵은 베타 붕괴에 대해 매우 불안정한데, 그 이유는 붕괴 생성물이 짝수-짝수이며, 따라서 핵 짝짓기 효과로 인해 더 강하게 결합하기 때문이다.[43]
5. 2. 질량
원자 질량의 대부분은 원자를 구성하는 양성자와 중성자에서 나온다.[44] 주어진 원자 내의 이러한 입자(핵자라고 함)의 총 개수를 질량수라고 하며, 양의 정수이자 무차원이다. 예를 들어 "탄소-12"는 12개의 핵자(양성자 6개, 중성자 6개)를 가지고 있다.실제 정지 상태 원자의 질량은 종종 달톤(Da) 또는 통일 원자 질량 단위(u)로 표현된다. 1 달톤은 자유 중성 탄소-12 원자 질량의 12분의 1로 정의되며, 약 1.66 x 10-27 kg이다.[44] 가장 가벼운 수소-1의 원자량은 1.007825 Da이다. 어떤 원자의 원자 질량은 질량수 × 원자 질량 단위와 거의 같다. 예를 들어 질소-14의 질량은 약 14 Da이다. 하지만 탄소-12를 제외하고는 정확히 정수가 아니다. 가장 무거운 안정한 원자는 납-208[40]이며 질량은 207.9766521 Da이다.
화학자들은 너무 가벼운 원자를 직접 다루는 대신 몰 단위를 사용한다. 어떤 원소의 원자 1몰은 항상 6.022 x 1023개의 원자를 가진다. 이 수는 원소의 원자 질량이 1 u인 경우 그 원소의 원자 1몰의 질량이 1그램에 가깝도록 선택되었다. 원자 질량 단위의 정의에 따라 각 탄소-12 원자의 원자 질량은 정확히 12 Da이며, 따라서 탄소-12 원자 1몰의 무게는 정확히 0.012 kg이다.[44]
5. 3. 모양과 크기
원자는 명확하게 정의된 외곽 경계가 없으므로, 그 크기는 일반적으로 원자 반지름으로 설명된다. 이는 원자핵으로부터 전자구름이 퍼져나가는 거리를 측정한 것이다.[45] 원자 반지름은 두 원자가 화학 결합으로 결합될 때 두 원자핵 사이의 거리로부터 유도될 수 있다. 반지름은 원자 주기율표 상에서 원자의 위치, 화학 결합의 종류, 이웃 원자의 수(배위수), 그리고 양자 역학적 성질인 스핀에 따라 달라진다. 주기율표에서 원자 크기는 열(세로줄)을 따라 아래로 내려갈수록 증가하는 경향이 있지만, 주기(가로줄)를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할수록 감소한다. 따라서 가장 작은 원자는 반지름이 32 pm인 헬륨이며, 가장 큰 원자 중 하나는 225 pm인 세슘이다.[46]전기장과 같은 외부 힘을 받으면 원자의 모양은 구면 대칭에서 벗어날 수 있다. 변형은 장의 크기와 바깥쪽 껍질 전자의 궤도 형태에 따라 달라지며, 이는 군론적 고려 사항에 의해 보여진다. 예를 들어, 큰 결정-전기장이 낮은 대칭 격자 위치에서 발생할 수 있는 결정에서 비구형적인 편차가 나타날 수 있다.[47][48] 황 이온[49]과 칼코겐 이온[50]에서 상당한 타원체 변형이 황철석형 화합물에서 발생하는 것으로 나타났다.
원자 크기는 빛(400–700 nm)의 파장보다 수천 배 작으므로 광학 현미경을 사용하여 관찰할 수 없지만, 주사 터널링 현미경을 사용하여 개별 원자를 관찰할 수 있다. 원자의 미세함을 시각화하기 위해, 일반적인 사람 머리카락의 너비가 약 100만 개의 탄소 원자라는 점을 생각해 보십시오. 물 한 방울에는 약 2 억억(2×1021)개의 산소 원자와 두 배의 수소 원자가 포함되어 있다.[51] 질량을 가진 단일 캐럿 다이아몬드에는 약 10억억(1022)개의 탄소 원자가 포함되어 있다.[52] 사과를 지구 크기로 확대하면 사과 속 원자는 원래 사과 크기와 거의 비슷해진다.[53]
5. 4. 방사성 붕괴
모든 원소는 불안정한 원자핵을 가지고 있어 방사성 붕괴를 일으키고, 원자핵에서 입자나 전자기파를 방출하는 동위원소가 하나 이상 존재한다. 방사능은 원자핵의 반지름이 1 fm 정도의 거리에만 작용하는 강한 힘의 범위보다 클 때 발생한다.
가장 일반적인 방사성 붕괴의 형태는 다음과 같다.[114]
- 알파 붕괴: 원자핵이 알파 입자(두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된 헬륨 원자핵)를 방출하는 과정이다. 방출 결과, 원자 번호가 더 낮은 새로운 원소가 생성된다.
- 베타 붕괴 (및 전자 포획): 약한 핵력에 의해 조절되며, 중성자가 양성자로 또는 양성자가 중성자로 변환된다. 중성자에서 양성자로의 전환은 전자와 반중성미자의 방출을 수반하는 반면, 양성자에서 중성자로의 전환(전자 포획 제외)은 양전자와 중성미자의 방출을 초래한다. 전자 또는 양전자 방출을 베타 입자라고 한다. 베타 붕괴는 원자핵의 원자 번호를 1 증가시키거나 감소시킨다. 전자 포획은 양전자 방출보다 에너지가 적게 필요하기 때문에 더 일반적이다.
- 감마 붕괴: 원자핵의 에너지 준위가 더 낮은 상태로 변화하여 전자기파를 방출하는 과정이다. 감마 방출을 초래하는 원자핵의 들뜬 상태는 일반적으로 알파 입자 또는 베타 입자의 방출 후에 발생한다.
다른 더 드문 유형의 방사성 붕괴에는 원자핵에서 중성자, 양성자, 핵자들의 덩어리가 방출되거나, 하나 이상의 베타 입자가 방출되는 것이 포함된다. 내부 전환은 들뜬 핵이 다른 방식으로 에너지를 잃을 수 있도록 하는 감마 방출의 유사체이며, 이 과정은 베타선이 아닌 고속 전자를 생성한 다음 감마선이 아닌 고에너지 광자를 생성한다. 몇몇 큰 원자핵은 자발 핵분열에서 여러 가지 질량의 두 개 이상의 하전된 파편과 여러 개의 중성자로 폭발한다.
각 방사성 동위원소는 특징적인 붕괴 시간 주기를 가지는데, 이것을 반감기라고 하며, 시료의 절반이 붕괴되는 데 필요한 시간으로 결정된다. 이것은 지수 붕괴 과정으로, 남아 있는 동위원소의 비율을 반감기마다 50%씩 꾸준히 감소시킨다.
5. 5. 자기 모멘트
기본 입자는 스핀이라고 알려진 고유한 양자 역학적 성질을 지닌다. 이는 질량 중심을 중심으로 회전하는 물체의 각운동량과 유사하지만, 엄밀히 말해 점과 같은 입자는 회전한다고 말할 수 없다. 스핀은 환산 플랑크 상수(ħ) 단위로 측정되며, 전자, 양성자, 중성자는 모두 스핀 1/2 ħ 또는 "스핀-1/2"을 갖는다. 원자에서 핵 주위를 운동하는 전자는 스핀 외에도 궤도 각운동량을 가지며, 핵 자체는 핵 스핀으로 인해 각운동량을 갖는다.원자에 의해 생성되는 자기장—그것의 자기 모멘트—는 이러한 다양한 형태의 각운동량에 의해 결정된다. 회전하는 대전된 물체가 고전적으로 자기장을 생성하는 것과 같지만, 가장 지배적인 기여는 전자 스핀에서 나온다. 파울리 배타 원리에 따라, 속박된 전자는 서로 짝을 이루며, 각 쌍의 한 구성원은 스핀 업 상태에 있고 다른 구성원은 반대인 스핀 다운 상태에 있다. 따라서 이러한 스핀은 서로 상쇄되어 전자 수가 짝수인 일부 원자에서 총 자기 쌍극자 모멘트를 0으로 줄인다.
강자성 원소인 철, 코발트, 니켈에서는 홀수 개의 전자가 짝을 이루지 않은 전자를 초래하여 순 자기 모멘트를 만든다. 인접한 원자의 궤도가 겹치고, 짝을 이루지 않은 전자의 스핀이 서로 정렬될 때 더 낮은 에너지 상태가 달성되며, 이는 교환 상호작용으로 알려진 자발적인 과정이다. 강자성 원자의 자기 모멘트가 정렬되면 재료는 측정 가능한 거시적 자기장을 생성할 수 있다. 상자성 재료는 자기장이 없을 때 무작위 방향으로 정렬되는 자기 모멘트를 가진 원자를 가지고 있지만, 자기장이 존재할 때 개별 원자의 자기 모멘트는 정렬된다.
원자핵은 중성자와 양성자의 수가 모두 짝수일 때 스핀이 없지만, 홀수일 경우 핵에 스핀이 있을 수 있다. 일반적으로 스핀이 있는 핵은 열평형으로 인해 무작위 방향으로 정렬되지만, 특정 원소(예: 크세논-129)의 경우 핵 스핀 상태의 상당 부분을 같은 방향으로 정렬하여 편극시킬 수 있다. 이러한 상태를 초편극이라고 하며, 자기 공명 영상에 중요한 응용 분야를 가지고 있다.[115]
5. 6. 에너지 준위
원자 내 전자의 퍼텐셜 에너지는 핵으로부터의 거리가 무한대로 갈 때를 기준으로 음의 값을 가지며, 핵 내부에서 최소값에 도달한다. 이는 거리에 대한 역비례 관계를 대략적으로 나타낸다. 양자역학적 모델에서, 결합 전자는 핵을 중심으로 한 일련의 상태만을 점유할 수 있으며, 각 상태는 특정한 에너지 준위에 해당한다. 이 에너지 준위는 전자를 원자로부터 분리하는 데 필요한 에너지량으로 측정할 수 있으며, 일반적으로 전자볼트(eV) 단위로 표시한다. 결합 전자의 가장 낮은 에너지 상태를 바닥 상태 즉, 정상 상태라고 하며, 더 높은 준위로의 전자 전이는 들뜬 상태를 초래한다. 전자의 에너지는 핵까지의 (평균) 거리가 증가함에 따라 ''n''와 함께 증가한다. 에너지의 에 대한 의존성은 핵의 정전기적 퍼텐셜에 의한 것이 아니라 전자 간의 상호작용에 의한 것이다.
보어 모델에 따르면, 전자가 두 가지 다른 상태 간에 전이할 때 (예: 바닥 상태에서 첫 번째 들뜬 상태로 전이), 그 준위의 퍼텐셜 에너지 차이와 일치하는 에너지의 광자를 흡수하거나 방출해야 한다.[116] 전자는 입자처럼 궤도 사이를 이동하며, 단일 광자가 전자에 부딪히면, 광자에 반응하여 단 하나의 전자만 상태가 변한다. 방출된 광자의 에너지는 그 진동수에 비례하므로, 이러한 특정 에너지 준위는 전자기 스펙트럼에서 뚜렷한 띠로 나타난다.[116] 각 원소는 핵전하, 전자에 의해 채워진 부껍질, 전자 간의 전자기적 상호작용 및 기타 요인에 따라 달라질 수 있는 특징적인 스펙트럼을 갖는다.
연속적인 에너지 스펙트럼이 기체 또는 플라즈마를 통과할 때, 일부 광자는 원자에 의해 흡수되어 전자가 에너지 준위를 변경한다. 원자에 결합된 상태로 남아 있는 들뜬 전자들은 이 에너지를 임의의 방향으로 이동하는 광자로 자발적으로 방출하여 더 낮은 에너지 준위로 떨어진다. 따라서 원자는 에너지 출력에서 일련의 어두운 흡수띠를 형성하는 필터처럼 작용한다. 분광학적 측정을 통해 원자 스펙트럼선의 세기와 너비를 측정하여 물질의 구성과 물리적 특성을 결정할 수 있다.
스펙트럼 선을 자세히 조사하면 일부는 미세 구조 분리가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 가장 바깥쪽 전자의 스핀과 운동 사이의 상호 작용인 스핀-궤도 결합 때문입니다. 원자가 외부 자기장에 있으면 스펙트럼 선이 세 개 이상의 성분으로 분리되는데, 이 현상을 제만 효과라고 한다. 이는 자기장과 원자 및 그 전자의 자기 모멘트 간의 상호 작용에 의해 발생한다. 일부 원자는 에너지 준위가 동일한 여러 전자 배치를 가질 수 있으므로 단일 스펙트럼 선으로 나타난다. 자기장과 원자의 상호 작용은 이러한 전자 배치를 약간 다른 에너지 준위로 이동시켜 여러 스펙트럼 선을 생성한다. 외부 전기장의 존재는 전자 에너지 준위를 수정하여 스펙트럼 선의 비슷한 분리와 이동을 일으킬 수 있는데, 이 현상을 슈타르크 효과라고 한다.[117]
결합 전자가 들뜬 상태에 있으면, 적절한 에너지를 가진 상호 작용하는 광자는 일치하는 에너지 준위를 가진 광자의 유도 방출을 일으킬 수 있다. 이것이 발생하려면 전자는 상호 작용하는 광자의 에너지와 일치하는 에너지 차이를 갖는 더 낮은 에너지 상태로 떨어져야 한다. 그러면 방출된 광자와 상호 작용하는 광자는 평행하게 그리고 일치하는 위상으로 이동한다. 즉, 두 광자의 파동 패턴이 동기화된다. 이러한 물리적 특성은 좁은 주파수 대역에서 일관된 광 에너지 빔을 방출할 수 있는 레이저를 만드는 데 사용된다.
5. 7. 원자가 및 결합 거동
원자가는 원소의 결합력을 나타내며, 이는 원자가 다른 원자 또는 원자단과 형성할 수 있는 결합의 수에 의해 결정된다.[58] 원자의 결합되지 않은 상태에서 가장 바깥쪽 전자껍질을 최외각 전자껍질이라고 하며, 그 껍질에 있는 전자를 최외각 전자라고 한다. 최외각 전자의 수는 다른 원자와의 결합 거동을 결정한다. 원자들은 최외각 전자껍질을 채우거나(또는 비우거나)하는 방식으로 서로 화학적으로 반응하는 경향이 있다. 예를 들어, 원자 간의 단일 전자 전달은 채워진 껍질보다 전자가 하나 더 많은 원자와 가득 찬 껍질에 전자가 하나 부족한 원자 사이에 형성되는 결합에 대한 유용한 근사치이며, 염화나트륨 및 기타 화학적 이온염에서 발생한다.많은 원소는 여러 가지 원자가 또는 다른 화합물에서 서로 다른 수의 전자를 공유하는 경향을 보인다. 따라서 이러한 원소들 사이의 화학 결합은 단순한 전자 전달 이상의 많은 형태의 전자 공유를 취하며, 탄소 원소와 유기 화합물이 그 예이다.
화학 원소들은 주기적으로 반복되는 화학적 성질을 보여주도록 배열된 주기율표에 자주 표시되며, 최외각 전자 수가 같은 원소들은 표의 같은 열에 정렬된 그룹을 형성한다. (가로줄은 전자의 양자 껍질 채움에 해당한다.) 표의 맨 오른쪽에 있는 원소들은 최외각 껍질이 전자로 완전히 채워져 있어 화학적으로 불활성인 원소인 비활성 기체가 된다.
5. 8. 상태
원자의 양은 온도와 압력과 같은 물리적 조건에 따라 다양한 물질의 상태로 존재한다. 조건을 변경함으로써 물질은 고체, 액체, 기체, 그리고 플라스마 사이를 전이할 수 있다.[59][120] 같은 상태 내에서도 물질은 서로 다른 동소체로 존재할 수 있다. 예를 들어 고체 탄소는 흑연 또는 다이아몬드로 존재할 수 있으며, 기체 동소체도 존재하는데, 이산소(산소의 동소체/Allotropes of oxygen영어)와 오존이 그 예이다.절대 영도에 가까운 온도에서 원자는 보스-아인슈타인 응축체를 형성할 수 있으며, 이때 일반적으로 원자 수준에서만 관찰되는 양자역학적 효과가 거시적 수준에서 나타난다.[60][121] 이렇게 초냉각된 원자 집단은 하나의 초원자처럼 행동하여 양자역학적 거동에 대한 근본적인 검증을 가능하게 할 수 있다.[122]
6. 현대 원자론과 관련된 과학자 및 이론
존 돌턴은 1808년, 1817년에 출판한 그의 저서 "새로운 화학 철학 체계 (A New System of Chemical Philosophy)"에서 원자에 대한 근대적 이론을 제시하였다.
J. J. 톰슨은 전자를 발견하고 원자 내부에 전자가 분포되어 있다는 푸딩 모형을 제시하였다.
어니스트 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해 원자 중심에 양전하를 띤 원자핵이 존재한다는 것을 밝혀냈다.
닐스 보어는 러더퍼드 원자 모형의 문제점을 해결하기 위해 양자화된 궤도에 전자가 존재한다는 새로운 원자 모형을 제안하였다.
원자 단위의 물리학은 원자 광학과 나노 과학에서 연구되며, 이들 실험은 원자를 옮기고 운동 속도를 조정하는 방식으로 이루어진다. 원자핵의 물리학은 핵물리학과 입자물리학의 영역이다.
7. 기타
7. 1. 희귀하고 이론적인 형태
원자번호가 82(납)보다 큰 모든 핵종은 방사성을 띤다. 원자번호가 92(우라늄)보다 큰 핵종은 지구상에 원시 핵종으로 존재하지 않으며, 더 무거운 원소는 일반적으로 반감기가 더 짧다. 그럼에도 불구하고, 원자번호 110(다름슈타트늄)에서 114(플레로븀)까지의 초중원소의 비교적 장수명 동위원소를 포함하는 "안정성의 섬"이 존재할 수 있다.[66] 안정성의 섬에서 가장 안정적인 핵종의 반감기에 대한 예측은 수 분에서 수백만 년까지 다양하다.[67] 어떤 경우든, 초중원소(Z > 104)는 어떠한 안정화 효과가 없다면 증가하는 쿨롱 반발력 때문에 존재하지 않을 것이다.[68]모든 물질 입자는 반대 전하를 가진 해당 반물질 입자가 있다. 양전자는 양전하를 띤 반전자이고 반양성자는 양성자의 음전하를 띤 상대입자이다. 물질 입자와 해당 반물질 입자가 만나면 서로 소멸한다. 이러한 이유와 물질 입자와 반물질 입자의 수 불균형으로 인해 후자는 우주에서 드물다. 이러한 불균형의 첫 번째 원인은 아직 완전히 이해되지 않았지만, 바리온 생성 이론이 설명을 제공할 수 있다. 결과적으로 자연에서는 반물질 원자가 발견되지 않았다. 1996년에 수소 원자의 반물질 상대체인 반수소가 스위스 제네바의 CERN 연구소에서 합성되었다.
다른 이상 원자는 양성자, 중성자 또는 전자 중 하나를 같은 전하를 가진 다른 입자로 대체하여 생성되었다. 예를 들어, 전자를 더 무거운 뮤온으로 대체하여 뮤온 원자를 형성할 수 있다. 이러한 유형의 원자는 물리학의 기본적인 예측을 검증하는 데 사용할 수 있다.
7. 2. 원자론의 응용
7. 3. 한국의 원자력 발전
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