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원자

Atom
다른 용도는 Atom(동음이의)을 참조하십시오.
아툼과 혼동하지 말자.
원자
Helium atom ground state
헬륨 원자의 그림으로, 핵(핑크)과 전자 구름 분포(검은색)를 나타낸다.헬륨-4의 핵(오른쪽 위)은 실제로는 극명하게 대칭적이며 전자구름과 매우 유사하지만, 더 복잡한 핵의 경우 항상 그렇지는 않다.블랙 바는 앙스트롬 1개(10m−10 또는 100pm)이다.
분류
화학 원소의 최소 인식 분할
특성.
질량 범위1.67×10−27 ~ 4.52×10−25 kg
전하제로(중립) 또는 이온 전하
지름 범위62pm(He) ~ 520pm(Cs)(데이터 페이지)
구성 요소들양자와 중성자의 전자와 콤팩트 핵

원자는 화학 원소를 구성하는 보통 물질의 가장 작은 단위다.모든 고체, 액체, 가스, 플라즈마는 중성 또는 이온화된 원자로 구성되어 있다.원자는 일반적으로 지름이 100피코미터 정도로 매우 작다.그것들은 너무 작아서 마치 테니스공처럼 고전물리학을 사용하여 정확하게 그들의 행동을 예측하는 것은 양자 효과 때문에 가능하지 않다.

모든 원자는 핵과 핵에 묶인 하나 이상의 전자로 구성되어 있다.핵은 하나 이상의 양성자와 여러 개의 중성자로 이루어져 있다.수소의 가장 흔한 품종만이 중성자를 가지고 있지 않다.원자 질량의 99.94% 이상이 핵 안에 있다.양자는 양전하를 가지며, 전자는 음전하를 가지며, 중성자는 전하가 없다.양성자와 전자의 수가 같다면, 원자는 전기적으로 중립적이다.만약 원자가 양성자보다 더 많거나 적은 전자를 가지고 있다면, 원자에는 각각 음전하 또는 양의 전하가 있다 – 그러한 원자를 이온이라고 한다.

원자의 전자는 전자기력에 의해 원자핵의 양자에 끌린다.핵에 있는 양자와 중성자는 핵력에 의해 서로 끌어당긴다.이 힘은 일반적으로 양전하 양성자를 서로 밀어내는 전자기력보다 강하다.어떤 상황에서는 퇴치하는 전자기력이 핵력보다 강해진다.이 경우 핵은 서로 다른 원소를 남기고 갈라진다.이것은 일종의 핵 붕괴다.

핵에 있는 양자의 수는 원자 번호로 원자가 어느 화학 원소에 속하는지 정의한다.예를 들어, 29개의 양성자를 포함하는 모든 원자는 구리다.중성자의 수는 원소의 동위원소를 정의한다.원자는 화학적 결합에 의해 하나 이상의 다른 원자에 부착되어 분자나 결정과 같은 화학적 화합물을 형성할 수 있다.원자가 결합하고 분리하는 능력은 자연에서 관찰되는 대부분의 물리적 변화에 책임이 있다.화학은 이러한 변화를 연구하는 학문이다.

원자론의 역사

주요 기사:원자론

철학에서.

주요 기사:원자주의
참고 항목: 프리마테리아

물질은 아주 작고, 분리할 수 없는 입자로 이루어져 있다는 기본적인 생각은 그리스나 인도와 같은 많은 고대 문화권에서 나타난다.atom이라는 단어는 고대 그리스어 atomos(a-와 cuttable을 뜻하는 "cuttable"을 뜻하는 "cuttle"의 용어인 "cutcutμμ"의 합성어)에서 유래되었다.이 고대의 사상은 과학적 추론보다는 철학적 추론에 기초했다; 현대의 원자 이론은 이러한 낡은 개념에 기초하지 않는다.그럼에도 불구하고, "원자"라는 용어는 물질은 궁극적으로 자연에서 세분화된다고 의심하는 사상가들에 의해 시대에 걸쳐 사용되었다.[1][2]그 후 "atoms"는 분할될 수 있다는 것이 밝혀졌지만, 오노머는 여전히 사용되고 있다.

다중의 달튼 법칙

John Dalton의 새로운 화학 철학 체계 제1권 (1808)에 묘사된 원자와 분자

1800년대 초 영국의 화학자 존 달튼은 자신과 다른 과학자들에 의해 수집된 실험 데이터를 취합하여 현재 "다중비례의 법칙"으로 알려진 패턴을 발견했다.그는 특정 화학 원소를 포함하는 화학 화합물에서 이러한 화합물에서 해당 원소의 함량은 작은 정수 비율에 따라 달라질 것이라는 것을 알아챘다.이 패턴은 달튼에게 각 화학 원소가 어떤 기본적이고 일관된 질량 단위로 다른 원소들과 결합한다는 것을 암시했다.

예를 들어 산화 주석에는 두 종류가 있는데, 하나는 주석 88.1%, 산소 11.9%인 흑색 분말이고, 다른 하나는 주석 78.7%, 산소 21.3%인 백색 분말이다.이러한 수치를 조정하면, 흑산화물에는 주석 100g당 약 13.5g의 산소가 있고, 백산화물에는 주석 100g당 약 27g의 산소가 있다. 13.5와 27은 1:2의 비율을 이룬다.이러한 산화물에는 모든 주석 원자에 대해 각각 한 두 개의 산소 원자가 있다(SnO와 SnO2).[3][4]

두 번째 예로 달튼은 철분 78.1%, 산소 21.9%인 검은 가루와 철분 70.4%, 산소 29.6%인 붉은 분말 등 두 가지 철분 산화물을 고려했다.이러한 수치를 조정하면, 흑산화물에는 100g의 철분마다 약 28g의 산소가 있고, 적산화물에는 100g의 철분마다 약 42g의 산소가 있다. 28과 42는 2:3의 비율을 이룬다.이러한 각각의 산화물에는, 철의 원자 두 개당, 산소 원자 두 개 또는 세 개(FeO와22 FeO23)가 있다.[a][5][6]

마지막 예로 아산화질소가 질소 63.3%, 산소 36.7%이고, 아산화질소가 질소 44.05%, 산소 55.95%이며, 이산화질소가 질소 29.5%, 산소 70.5%이다.이러한 수치를 조정하면, 질소 140g당 80g의 산소가 있고, 질소 140g당 약 160g의 산소가 있으며, 이산화질소에는 140g당 320g의 산소가 있다.80, 160, 320은 1:2:4의 비율을 이룬다.이 산화물들의 각 공식은2 NO, NO2, NO이다.[7][8]

기체의 운동 이론

주요기사 : 기체의 운동이론

18세기 후반에,[citation needed] 많은 과학자들은 가스를 미립자 이하의 집합체로 묘사하고 통계와 확률을 사용하여 가스의 행동을 모델링함으로써 가스의 행동을 더 잘 설명할 수 있다는 것을 발견했다.가스의 운동 이론은 달튼의 원자 이론과 달리 가스가 화학적으로 반응하여 화합물을 형성하는 것이 아니라, 확산, 점성, 전도도, 압력 등 물리적으로 어떻게 작용하는지를 기술하고 있다.

브라운 운동

1827년 식물학자 로버트 브라운은 현미경을 사용하여 물에 떠 있는 먼지 알갱이를 관찰한 결과 그것들이 불규칙하게 움직인다는 것을 발견했는데, 이 현상은 "브라운 운동"으로 알려지게 되었다.이것은 물 분자가 곡물을 이리저리 두드려서 생긴 것으로 생각되었다.1905년 알버트 아인슈타인은 브라운 운동에 대한 최초의 통계적 물리학적 분석을 내놓음으로써 이러한 분자와 그들의 운동의 실체를 증명했다.[9][10][11]프랑스의 물리학자 장 페린은 아인슈타인의 작품을 이용해 분자의 질량과 치수를 실험적으로 결정함으로써 물질의 입자성에 대한 물리적 증거를 제공했다.[12]

전자의 발견

가이거-마르스덴 실험:
왼쪽: 예상 결과: 알파 입자가 미세한 편향으로 원자의 자두 푸딩 모델을 통과한다.
Right: 관찰된 결과: 입자의 작은 부분이 핵의 농축된 양의 전하에 의해 굴절되었다.

1897년 J. J. 톰슨은 음극선이 전자기파가 아니라 수소(가장 가벼운 원자)보다 1800배 가벼운 입자로 만들어진다는 사실을 발견했다.톰슨은 이 입자들이 음극 안에 있는 원자로부터 나온 것이라고 결론지었다. 그들은 아원자 입자들이다.그는 이 새로운 입자들을 말뭉치라고 불렀지만 그것들은 나중에 전자로 이름이 바뀌었다.톰슨은 또한 전자가 광전자와 방사성 물질에 의해 방출되는 입자와 동일하다는 것을 보여주었다.[13]전자가 금속 전선에 전류를 전달하는 입자라는 사실이 빠르게 인식되었다.[citation needed]톰슨은 이 전자들이 그의 기기에 있는 음극의 바로 그 원자로부터 나왔다고 결론지었다. 그것은 원자들이 아토모스라는 이름이 암시하는 것처럼 분리될 수 없다는 것을 의미했다.

핵 발견

주요 기사:가이거-마르스덴 실험

J. J. 톰슨은 음전하를 띤 전자가 원자의 전체 부피에 걸쳐 분포되어 있는 양전하의 바다 속에서 원자 전체에 분포되어 있다고 생각했다.[14]이 모델은 때때로 매실 푸딩 모델로 알려져 있다.

어니스트 러더포드와 그의 동료인 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 알파 입자의 전하 대 질량 비(이것은 라듐과 같은 특정 방사성 물질에서 방출되는 양전하 입자)를 측정하기 위한 기구를 만들려다 난관에 봉착한 후 톰슨 모델에 대해 의심을 품게 되었다.알파 입자들이 검출실의 공기에 의해 흩어지고 있었기 때문에 측정을 신뢰할 수 없게 되었다.톰슨은 음극선에 관한 연구에서도 비슷한 문제를 맞닥뜨렸었는데, 이는 그의 악기에 거의 완벽한 진공 상태를 만들어냄으로써 해결되었다.러더포드는 알파 입자가 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 이 같은 문제에 부딪힐 것이라고는 생각하지 않았다.톰슨의 원자의 모델에 따르면, 원자의 양전하가 알파 입자를 비껴갈 만큼 강한 전기장을 생성할 만큼 충분히 집중되지 않으며, 전자는 너무 가벼워서 훨씬 무거운 알파 입자에 의해 쉽게 밀려나야 한다.그러나 산란이 일어나고 있었기 때문에 러더포드와 그의 동료들은 이 산란을 신중하게 조사하기로 결정했다.[15]

1908년과 1913년 사이에 러더포드와 그의 동료들은 알파 입자로 금속의 얇은 포일을 폭격하는 일련의 실험을 했다.그들은 90° 이상의 각도로 편향된 알파 입자들을 발견했다.이를 설명하기 위해 러더포드는 톰슨이 믿었던 대로 원자의 양전하가 원자 체적 전체에 분포되지 않고 중심에 있는 작은 핵에 집중되어 있다고 제안했다.그러한 강렬한 전하 집중만이 관측된 알파 입자를 비껴갈 수 있을 만큼 강한 전기장을 생성할 수 있었다.[15]

동위원소 발견

방사성 붕괴의 산물을 실험하던 중 1913년, 방사화학자인 프레드릭 소디는 주기율표의 각 위치에 둘 이상의 원자가 있는 것으로 보인다는 것을 발견했다.[16]동위원소라는 용어는 마거릿 토드가 같은 원소에 속하는 서로 다른 원자에 적합한 이름으로 만들어 졌다.J. J. 톰슨은 이온화 가스에 대한 연구를 통해 동위원소 분리를 위한 기술을 만들어냈고, 그 결과 안정된 동위원소가 발견되었다.[17]

보어 모델

원자의 보어 모델은 전자가 에너지를 얻거나 잃으면서 한 궤도에서 다른 궤도로 순간적으로 "퀀텀"을 만들어낸다.이 궤도에 있는 전자의 모델은 구식이다.
주요 기사:보어 모델

1913년 물리학자 닐스 보어는 원자의 전자가 핵의 궤도를 도는 것으로 가정되지만 유한한 궤도 집합에서만 그럴 수 있고 광자의 흡수나 방사선에 해당하는 에너지의 이산적인 변화에서만 이들 궤도 사이를 점프할 수 있는 모델을 제안했다.[18]이 정량화는 왜 전자의 궤도가 안정적인지(보통, 원형 운동을 포함한 가속도에서 전하, 전자기 방사선으로 방출되는 운동에너지의 상실, 싱크로트론 방사선을 참조)와 원소가 이산 스펙트럼에서 전자기 방사선을 흡수하고 방출하는지를 설명하기 위해 사용되었다.[19]

같은 해 말 헨리 모슬리는 닐스 보어의 이론에 찬성하는 추가적인 실험 증거를 제공했다.이러한 결과는 원자가 주기율표에서 (원자) 숫자와 동일한 양의 핵전하를 핵에 포함시킬 것을 제안한 어니스트 러더포드와 안토니우스 반 덴 브로크의 모델을 정제했다.이러한 실험이 있기 전까지 원자 번호는 물리적, 실험적인 양으로 알려져 있지 않았다.그것이 원자핵 전하와 동일하다는 것은 오늘날 받아들여지고 있는 원자 모델로 남아 있다.[20]

원자들 사이의 화학적 결합은 1916년 길버트 뉴턴 루이스에 의해 구성 전자들 사이의 상호작용으로서 설명되었다.[21]원소의 화학적 성질이 주기적인 법칙에 따라 크게 반복된다고 알려져 있었기 때문에,[22] 1919년 미국의 화학자 이르빙 랭무어는 원자의 전자가 어떤 식으로 연결되어 있거나 군집화 되어 있으면 이것을 설명할 수 있다고 제안했다.전자 그룹들이 핵 주위에 있는 전자 껍질 세트를 점유하고 있는 것으로 생각되었다.[23]

원자의 보어 모델은 원자의 최초의 완전한 물리적 모델이었다.원자의 전체적인 구조, 원자가 어떻게 서로 결합하는지를 설명하고 수소의 스펙트럼 라인을 예측했다.보어의 모델은 완벽하지 않았고 곧 보다 정확한 슈뢰딩거 모델로 대체되었지만 물질이 원자로 구성되어 있다는 남아 있는 의심을 증발시키기에 충분했다.화학자들에게 원자의 개념은 유용한 휴리스틱 도구였지만, 물리학자들은 아직 원자의 완전한 물리적 모델을 개발하지 않았기 때문에 물질이 정말로 원자로 구성되어 있는지에 대해 의문을 가졌다.

슈뢰딩거 모델

1922년의 Stern-Gerlach 실험은 원자 성질의 양자적 성질에 대한 추가적인 증거를 제공했다.은색 원자의 빔이 특별한 모양의 자기장을 통과했을 때, 그 빔은 원자의 각운동량, 즉 회전 방향과 상관되는 방식으로 분할되었다.이 회전 방향은 처음에 랜덤하기 때문에 빔은 임의의 방향으로 꺾일 것으로 예상된다.대신, 빔은 두 개의 방향성 요소로 분할되었는데, 이는 자기장에 관해서 위아래로 방향화되는 원자 스핀에 해당한다.[24]

1925년 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)[20]는 양자역학(매트릭스 역학)의 최초의 일관적인 수학 공식집을 발표하였다.1년 전, 루이 드 브로이:모든 입자는 파동처럼 일부 extent,[25]고 1926년 에르빈 슈뢰딩거는 슈뢰딩거 방정식, 원자(파동 역학)의 점 입자보다는 3차원 파형이 전자에 대한 수학적 모델을 개발하여 이 방법의 행동에 드브로이 가설 제안했다.s.[26]

파형을 사용하여 입자를 설명하는 결과는 주어진 시점에서 입자의 위치와 운동량 모두에 대해 정확한 값을 구하는 것이 수학적으로 불가능하다는 것이다; 이것은 1927년 베르너 하이젠베르크에 의해 공식화된 불확실성 원리로 알려지게 되었다.[20]이 개념에서, 위치를 측정할 때 주어진 정확도로는 모멘텀에 대한 가능한 값의 범위만 얻을 수 있었고, 그 반대의 경우도 마찬가지였다.[27]이 모델은 수소보다 큰 원자의 특정 구조 및 스펙트럼 패턴과 같이 이전 모델에서는 할 수 없었던 원자 행동의 관측을 설명할 수 있었다.따라서, 원자의 행성 모델은 주어진 전자가 관측될 가능성이 가장 높은 핵 주변의 원자 궤도 구역을 기술한 모델에 유리하게 폐기되었다.[28][29]

중성자 발견

질량 분광계의 발달로 원자의 질량을 더 정확하게 측정할 수 있었다.이 장치는 자석을 이용해 이온 빔의 궤적을 구부리고, 편향의 양은 원자 질량의 전하 비율에 따라 결정된다.화학자 프랜시스 윌리엄 애스턴은 동위원소의 질량이 다르다는 것을 보여주기 위해 이 도구를 사용했다.이들 동위원소의 원자 질량은 정수량에 따라 달라졌는데, 정수 법칙이라고 한다.[30]이러한 서로 다른 동위원소에 대한 설명은 1932년 물리학자 제임스 채드윅에 의해 양성자와 유사한 질량을 가진 무충전 입자인 중성자가 발견되기를 기다렸다.그리고 나서 동위원소는 양성자의 수는 같지만 핵 내의 중성자의 수는 다른 원소로 설명되었다.[31]

핵분열, 고에너지 물리학 및 응축 물질

1938년 러더포드의 제자인 독일의 화학자 오토 한은 트랜스우라늄 원소를 얻을 것으로 기대되는 우라늄 원자에 중성자를 지시하였다.대신에, 그의 화학 실험은 바륨을 하나의 제품으로 보여주었다.[32][33]1년 후, 리즈 메이트너와 조카 오토 프리슈는 한의 결과가 최초의 실험적인 핵분열이라는 것을 확인했다.[34][35]1944년에 한씨는 노벨 화학상을 받았다.한씨의 노력에도 불구하고 메이트너와 프리슈의 공헌은 인정받지 못했다.[36]

1950년대에 향상된 입자 가속기와 입자 검출기의 개발로 과학자들은 높은 에너지로 움직이는 원자의 영향을 연구할 수 있었다.[37]중성자와 양성자는 하드론 즉 쿼크라고 불리는 작은 입자의 합성물인 것으로 밝혀졌다.입자물리학의 표준 모델은 지금까지 이러한 아원자 입자와 이들의 상호작용을 지배하는 힘 측면에서 핵의 성질을 성공적으로 설명해온 것으로 개발되었다.[38]

구조

아원자 입자

주요 기사:아원자 입자

원자라는 단어는 원래 작은 입자로 자를 수 없는 입자를 의미했지만, 현대 과학 용어로 원자는 다양한 아원자 입자로 구성되어 있다.원자의 구성 입자는 전자, 양성자, 중성자다.

전자는 9.11×10−31 kg으로 이들 입자 중 단연코 가장 적은 질량이며, 음전하와 사용 가능한 기법을 사용하여 측정하기에는 너무 작은 크기를 가지고 있다.[39]중성미자 질량이 발견되기 전까지, 그것은 양의 휴식 질량을 측정한 가장 가벼운 입자였다.보통의 조건에서 전자는 반대되는 전하를 통해 생기는 끌어당김에 의해 양전하핵에 결합된다.만약 원자가 원자 번호보다 더 많거나 적은 전자를 가지고 있다면, 원자 전체가 각각 음전하 또는 양전하 된다; 전하를 띤 원자를 이온이라고 한다.전자는 대부분 J.J. 덕택에 19세기 후반부터 알려져 왔다. 톰슨; 자세한 것은 아원자 물리학의 역사를 보라.

양자는 양전하와 질량이 1.6726×10−27 kg으로 전자보다 1,836배 높다.원자에 있는 양자의 수는 원자 번호라고 불린다.어니스트 러더포드(1919)는 알파 입자 폭격을 받은 질소가 수소 핵으로 보이는 것을 배출한다고 관찰했다.1920년에 이르러 그는 수소핵이 원자 내부의 구별되는 입자라는 것을 받아들이고 그것을 양성자로 명명했다.

중성자는 전하가 없으며 자유 질량이 전자 질량의 1,839배, 즉 1.6749×10−27 kg이다.[40][41]중성자는 세 가지 성분 중 가장 무겁지만 핵 결합 에너지에 의해 질량이 감소할 수 있다.중성자와 양성자(통칭 핵자)는 이러한 입자의−15 '표면'이 날카롭게 정의되지 않지만 2.5×10m의 순서로 유사한 치수를 가진다.[42]중성자는 1932년 영국의 물리학자 제임스 채드윅에 의해 발견되었다.

물리학의 표준 모델에서 전자는 진정으로 내부 구조가 없는 기본 입자인 반면, 양성자와 중성자는 쿼크라고 하는 기본 입자로 구성된 복합 입자다.원자에는 두 종류의 쿼크가 있는데, 각 쿼크는 미세한 전하를 가지고 있다.양자는 2개의 상향 쿼크로 구성된다(각각 충전 +).2/3 및 1개의 다운 쿼크(-1/3의 충전 포함)중성자는 상향 쿼크 1개와 하향 쿼크 2개로 구성된다.이러한 구별은 두 입자 사이의 질량과 전하량의 차이를 설명한다.[43][44]

쿼크는 글루온에 의해 매개되는 강한 상호작용(또는 강한 힘)에 의해 함께 고정된다.양자와 중성자는 결국 핵에 의해 핵에 서로 붙게 되는데, 이는 다소 다른 범위 속성을 가진 강한 힘의 잔류물이다(자세한 내용은 핵력에 관한 기사 참조).글루온(gluon)은 물리력을 매개하는 기초입자인 게이지보손(gage boson) 계열의 일원이다.[43][44]

핵

주요 기사:원자핵
핵이 핵에서 탈출하는 데 필요한 결합 에너지, 다양한 동위원소

원자 안에 있는 모든 결합 양자와 중성자는 작은 원자핵을 이루고 있으며, 집합적으로 핵이라고 불린다.핵의 반지름은 1. 3 팜토미터, 여기서 은(는) 총 핵의 수입니다.[45]이것은5 10 fm의 순서로 되어 있는 원자의 반지름보다 훨씬 작다.핵들은 잔존강력이라고 불리는 짧은 범위의 매력적인 전위에 의해 결합된다.2.5fm보다 작은 거리에서 이 힘은 양극으로 충전된 양성자들이 서로를 밀어내는 정전기력보다 훨씬 더 강력하다.[46]

같은 원소의 원자는 원자 번호라 불리는 양성자의 수가 같다.단일 원소 내에서 중성자의 수는 그 원소의 동위원소를 결정하면서 달라질 수 있다.양성자와 중성자의 총수가 핵종을 결정한다.양성자에 상대적인 중성자의 수는 핵의 안정성을 결정하는데, 특정 동위원소는 방사성 붕괴를 겪는다.[47]

양성자, 전자, 중성자는 페르미온으로 분류된다.페르미온들은 복수의 양성자와 같은 동일한 페르미온들이 동일한 양자 상태를 동시에 점유하는 것을 금지하는 파울리 배제 원칙을 따른다.따라서 핵의 모든 양성자는 다른 모든 양성자와 다른 양자 상태를 차지해야 하며, 핵의 모든 중성자와 전자구름의 모든 전자에도 동일하게 적용된다.[48]

중성자와 양성자 수가 다른 핵은 양성자와 중성자의 수가 더 밀접하게 일치하도록 하는 방사능 붕괴를 통해 잠재적으로 낮은 에너지 상태로 떨어질 수 있다.그 결과 양자와 중성자의 수가 일치하는 원자는 붕괴에 대해 더 안정적이지만, 원자수가 증가함에 따라 양자의 상호 반발은 핵의 안정성을 유지하기 위해 중성자의 비율을 증가시켜야 한다.[48]

두 양성자로부터 양성자와 중성자로 구성된 중수소 핵을 형성하는 핵융합 과정을 예시한다.양전자(e+)는 전자 중성미자와 함께 방출된다.

강한 힘 때문에 매우 높은 에너지를 필요로 할 수 있지만 원자핵에 있는 양성자와 중성자의 수는 수정할 수 있다.핵융합은 두 핵의 에너지충돌을 통해처럼 복수의 원자입자가 결합해 더 무거운 핵을 형성할 때 발생한다.예를 들어 태양 양자의 중심에서 상호 반발인 쿨롱 장벽(coulomb barrier)을 극복하고 단일 핵으로 융합하려면 3~10 keV에서 10 keV의 에너지가 필요하다.[49]핵분열은 반대 과정으로, 핵이 두 개의 작은 핵으로 갈라지게 하는데, 보통은 방사능 붕괴를 통해서입니다.핵은 또한 높은 에너지 아원자 입자나 광자에 의한 폭격을 통해 변형될 수 있다.만약 이것이 핵에 있는 양자의 수를 수정한다면, 원자는 다른 화학 원소로 바뀐다.[50][51]

핵융합 반응에 따른 핵의 질량이 개별 입자의 질량의 합보다 작을 경우, 이 두 값 사이의 차이는 알버트 아인슈타인의 질량 에너지 등가 공식 = 에 의해 설명되는 사용 가능한 에너지의 한 유형(감마선 또는 베타 입자의 운동 에너지 등)으로 방출될 수 있다. 여기서 은 질량 손실이고 은 빛의 속도다.이 결손은 새로운 핵의 결합 에너지의 일부분이며, 이 에너지가 분리되어야 하는 상태에서 융합된 입자들이 함께 있게 하는 것은 회복 불가능한 에너지의 손실이다.[52]

철과 니켈보다 원자 번호가 낮은 두 개의 핵의 융합(총 핵 수는 약 60개)은 보통 그것들을 하나로 만드는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 방출하는 발열 과정이다.[53]항성의 핵융합을 자생적 반응으로 만드는 것이 바로 이 에너지 방출 과정이다.무거운 핵의 경우, 핵의 핵당 결합 에너지가 감소하기 시작한다.그것은 원자 번호가 약 26보다 높고, 원자 질량이 약 60보다 높은 핵물질을 생성하는 핵융합 과정이 내열성 과정이라는 것을 의미한다.이 보다 거대한 핵들은 별의 정수 평형을 유지할 수 있는 에너지를 생성하는 핵융합 반응을 겪을 수 없다.[48]

전자구름

주요 기사:원자 궤도 및 전자 구성
고전역학에 따르면 각 위치에 도달하는 데 필요한 최소 에너지 V(x)를 보여주는 잠재적 우물. 고전적으로 에너지 E를 가진 입자는 x와1 x 사이의2 위치 범위에 구속된다.

원자의 전자는 전자기력에 의해 핵의 양자에 끌린다.이 힘은 더 작은 핵을 둘러싼 정전기 전위 내부의 전자를 묶는데, 이것은 전자가 탈출하기 위해 외부 에너지원이 필요하다는 것을 의미한다.전자가 핵에 가까울수록 매력적인 힘은 커진다.그러므로 전위 유정의 중심 가까이에 묶인 전자는 더 큰 분리에 있는 전자보다 더 많은 에너지를 방출해야 한다.

전자는 다른 입자와 마찬가지로 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있다.전자구름은 전위 우물 내부의 영역으로, 각각의 전자가 3차원 입자파(핵에 비례하여 움직이지 않는 파형)의 한 종류를 형성한다.이 행동은 전자가 위치를 측정할 때 특정 위치에 있을 확률을 특징짓는 수학적 함수인 원자 궤도(원자 궤도)에 의해 정의된다.[54]다른 가능한 파동 패턴이 더 안정적인 형태로 빠르게 붕괴하기 때문에 이들 궤도 세트의 이산(또는 정량화된) 집합만이 핵 주위에 존재한다.[55]궤도는 하나 이상의 고리 또는 노드 구조를 가질 수 있으며 크기, 모양 및 방향에서 서로 다르다.[56]

확률 밀도와 위상을 보여주는 일부 수소 유사 원자 궤도의 3D 보기(g 궤도 이상은 표시되지 않음)

각 원자 궤도들은 전자의 특정 에너지 수준에 해당한다.전자는 광자를 새로운 양자 상태로 끌어올릴 수 있을 만큼 충분한 에너지로 흡수함으로써 그 상태를 더 높은 에너지 수준으로 변화시킬 수 있다.마찬가지로 자발적 방출을 통해 에너지 상태가 높은 전자는 광자로서 과잉 에너지를 방사하면서 낮은 에너지 상태로 떨어질 수 있다.양자 상태의 에너지 차이에 의해 정의되는 이러한 특성 에너지 값은 원자 스펙트럼 라인에 대한 책임이 있다.[55]

전자(전자 결합 에너지)를 제거하거나 추가하는 데 필요한 에너지의 양은 핵의 결합 에너지보다 훨씬 적다.예를 들어, 수소 원자로부터 지상 전자를 떼어내는 데 13.6 eV만 필요한 반면,[57] 중수소 핵을 분할하는 데 223만 eV만 있으면 된다.[58]원자는 양성자와 전자의 수가 같다면 전기적으로 중립적이다.적자나 전자의 잉여를 가진 원자를 이온이라고 한다.핵에서 가장 멀리 떨어진 전자는 가까운 다른 원자로 전달되거나 원자들 간에 공유될 수 있다.이 메커니즘에 의해, 원자들은 분자와 이온 및 공밸런트 네트워크 결정과 같은 다른 종류의 화학 화합물들에 결합할 수 있다.[59]

특성.

핵물성

주요 기사:동위원소, 안정동위원소, 핵종 목록 및 동위원소의 안정성에 따른 원소 목록

정의상, 핵에 동일한 수의 양성자를 가진 두 원자는 동일한 화학 원소에 속한다.양성자의 수는 같지만 중성자의 수는 다른 원자는 동일한 원소의 다른 동위 원소들이다.예를 들어 모든 수소 원자는 정확히 하나의 양성자를 인정하지만 동위원소는 중성자(수소-1, 지금까지 가장 흔한 형태,[60] 프로토늄이라고도 함), 중성자 1개(중수소), 중성자 2개(트리튬), 중성자 2개 이상의 중성자를 가지지 않고 존재한다.알려진 원소는 단일 원소 수소로부터 118 원소 오가네슨까지 일련의 원자 번호를 형성한다.[61]원자 번호 82보다 큰 원소의 알려진 동위원소는 모두 방사능이지만 83원소의 방사능은 사실상 무시해도 될 정도로 경미하다.[62][63]

약 339개의 핵종이 지구에서 자연적으로 발생하는데,[64] 이 중 252개(약 74%)가 붕괴가 관찰되지 않아 '안정적인 동위원소'라고 한다.이론적으로는 90여 개의 핵종만이 안정되어 있는 반면, 또 다른 162개의 핵종(총계를 252개로 가져가는 것)은 이론적으로는 에너지적으로 가능함에도 불구하고 붕괴가 관찰되지 않고 있다.이것들은 또한 공식적으로 "안정적"으로 분류된다.추가로 34개의 방사성 핵종이 1억년 이상 반감기를 갖고 있으며, 태양계 탄생 이후 존재했을 정도로 수명이 길다.이 286개의 핵종 모음은 원시 핵종으로 알려져 있다.마지막으로, 추가로 53개의 단명 핵종이 자연적으로 발생하는 것으로 알려져 있는데, 이는 원시 핵종 붕괴의 딸 생산물(우라늄에서 나오는 라듐 등) 또는 우주선 폭격과 같은 지구상의 자연 에너지 과정 생산물(예를 들어 탄소-14)으로 알려져 있다.[65][note 1]

화학 원소의 80개에는 적어도 하나의 안정적인 동위원소가 존재한다.일반적으로 이들 원소 각각에 대해 안정적 동위원소가 한 움큼밖에 없으며, 원소당 평균 안정적 동위원소는 3.2개다.26개의 원소는 하나의 안정 동위원소만 가지고 있는 반면, 원소 주석에서 관측된 안정 동위원소 중 가장 많은 수가 10개다.원소 43, 61 및 83 이상에 해당하는 모든 원소에는 안정적인 동위원소가 없다.[66]: 1–12

동위원소의 안정성은 중성자에 대한 양성자의 비율과 닫히고 채워진 양자껍질을 나타내는 중성자나 양성자의 특정한 "마법수"의 존재에 의해서도 영향을 받는다.이러한 양자 껍질은 핵의 껍질 모델 내에서 에너지 레벨의 집합에 해당하며, 주석용 50개 양성자의 채운 껍질처럼 채워진 껍질은 핵종에서 비정상적인 안정성을 보장한다.알려진 안정적인 핵종 252개 중 오직 4개만이 수소-2(중수소), 리튬-6, 붕소-10, 질소-14의 홀수 양자와 중성자를 모두 가지고 있다.또한 자연적으로 발생하는 방사성 기형핵종은 10억년에 걸쳐 칼륨-40, 바나듐-50, 란타넘-138, 탄탈룸-180m 등 4개만 반감기를 가지고 있다.대부분의 기형 핵은 베타 붕괴와 관련하여 매우 불안정하다. 왜냐하면 붕괴 산물이 짝수이기 때문에 핵 페어링 효과로 인해 더 강하게 결합되기 때문이다.[67]

미사

주요 기사:원자 질량 및 질량 수

원자 질량의 대부분은 그것을 구성하는 양자와 중성자에서 나온다.주어진 원자에서 이러한 입자의 총 수("핵"이라고 한다)를 질량수라고 한다.카운트를 표현하기 때문에 (질량의 차원을 갖는 대신) 양의 정수이고 치수가 없는 것이다.질량 수의 사용 예는 12개의 핵(양자 6개와 중성자 6개)을 가진 "탄소-12"이다.

정지 상태의 원자의 실제 질량은 흔히 달튼(Da)으로 표현되는데, 이를 통일된 원자 질량 단위(u)라고도 한다.이 단위는 약 1.66×10 kg인 탄소-12의−27 자유 중성 원자 질량의 12분의 1로 정의된다.[68]수소-1(수소의 가장 가벼운 동위원소, 또한 질량이 가장 낮은 핵종)은 원자 중량이 1.007825 Da이다.[69]이 숫자의 값을 원자 질량이라고 한다.주어진 원자에는 원자 질량 단위의 질량과 대략 같은 원자 질량(1% 이내)이 있지만(예를 들어 질소-14의 질량은 대략 14Da이다), 탄소-12의 경우 (정의상)을 제외하고 이 숫자는 정확히 정수가 될 수 없을 것이다.[70]가장 무거운 안정 원자는 납-208이며 [62]질량은 207.9766521 Da이다.[71]

가장 거대한 원자도 직접 작업하기에는 너무 가볍기 때문에 화학자들은 대신 두더지 단위를 사용한다.어떤 원소의 원자 몰은 항상 같은 수의 원자(약 6.022×1023)를 가지고 있다.원소의 원자 질량이 1 u이면 그 원소의 원자 몰이 1 그램에 가까운 질량을 갖도록 이 숫자를 선택했다.통일된 원자 질량 단위의 정의 때문에 각 탄소-12 원자는 정확히 12 Da의 원자 질량을 가지며, 따라서 탄소-12 원자의 몰은 정확히 0.012 kg의 무게가 나간다.[68]

모양과 크기

주요 기사:원자 반지름

원자는 외부 경계가 잘 정의되어 있지 않기 때문에, 원자의 치수는 대개 원자 반지름의 관점에서 설명된다.이것은 전자 구름이 핵으로부터 뻗어나가는 거리를 측정한 것이다.[72]이것은 원자가 진공이나 자유 공간에 있는 원자에 대해서만 복종하는 구형 형태를 나타낸다고 가정한다.원자 반지름은 두 원자가 화학 결합에 결합되었을 때 두 핵 사이의 거리에서 파생될 수 있다.반지름은 원자차트의 원자의 위치, 화학적 결합의 종류, 인접 원자의 수(조정 번호), 스핀이라고 알려진 양자 기계적 특성에 따라 달라진다.[73]원소의 주기율표에서 원자의 크기는 열을 아래로 이동할 때는 증가하는 경향이 있지만, 행을 가로질러 이동할 때는 감소한다([74]좌우).결과적으로 가장 작은 원자는 오후 32시 반경 헬륨인 반면, 가장 큰 원자는 오후 225시 세슘이다.[75]

전기장과 같은 외부 힘에 노출되면 원자의 모양이 구형 대칭에서 벗어날 수 있다.변형은 그룹 이데올로기적 고려사항에서 알 수 있듯이 외부 쉘 전자의 자기장 크기와 궤도 유형에 따라 달라진다.예를 들어 저대칭 격자 부위에서 큰 결정 전기장이 발생할 수 있는 결정에서 비구상 편차를 도출할 수 있다.[76][77]피라이트형 화합물의 황 이온과[78] 찰코겐 이온에[79] 대해 상당한 타원성 변형이 발생하는 것으로 나타났다.

원자 치수는 빛의 파장(400~700nm)보다 수천 배나 작기 때문에 개별 원자는 스캐닝 터널링 현미경으로 관측할 수 있지만 광학 현미경으로 볼 수 없다.원자의 미니텐스를 시각화하려면, 일반적인 인간의 털은 폭이 약 100만 개의 탄소 원자라고 생각해 보라.[80]한 방울의 물에는 약 2조 6천억21 개의 산소 원자가 들어 있으며, 수소 원자의 수는 두 배다.[81]질량이 2×10kg인−4 캐럿 다이아몬드 1개에는 탄소 원자가 약 10조22 7천억 개 들어 있다.[note 2]만약 사과가 지구의 크기로 확대된다면, 사과 속의 원자는 대략 사과 본연의 크기일 것이다.[82]

방사성 붕괴

주요기사 : 방사성 붕괴
이 도표는 Z 양성자와 N 중성자를 가진 다양한 동위원소의 반감기(T½)를 나타낸다.

모든 원소에는 방사성 붕괴에 노출되는 불안정한 핵이 있는 동위원소가 하나 이상 있어 핵이 입자나 전자기 방사선을 방출하게 된다.방사능은 핵의 반경이 강한 힘의 반경에 비해 클 때 발생할 수 있는데, 이 반경은 1fm의 순서로만 원거리에 걸쳐 작용한다.[83]

방사능 붕괴의 가장 일반적인 형태는 다음과 같다.[84][85]

  • 알파 붕괴: 이 과정은 핵이 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된 헬륨 핵인 알파 입자를 방출할 때 발생한다.방출의 결과는 원자 번호가 더 낮은 새로운 원소다.
  • 베타 붕괴(및 전자 포획): 이러한 과정은 약한 힘에 의해 조절되며, 중성자를 양성자로, 또는 양성자를 중성자로 변환하여 발생한다.중성자 대 양성자 전환은 전자와 안티뉴트리노의 배출을 동반하며 양성자 대 중성자 전환(전자 포획 제외)은 양전자 및 중성자 배출을 유발한다.전자나 양전자 방출은 베타 입자라고 불린다.베타 붕괴는 핵의 원자 수를 1씩 증가시키거나 감소시킨다.전자 포획은 양전자 방출보다 더 흔한데, 그것은 에너지를 덜 필요로 하기 때문이다.이런 형태의 붕괴에서 전자는 핵에서 방출되는 양전자보다는 핵에 의해 흡수된다.이 과정에서 중성미자는 여전히 배출되고 양성자는 중성자로 바뀐다.
  • 감마 붕괴: 이 과정은 핵의 에너지 수준이 낮은 상태로 변화하여 전자기 방사선을 방출하는 결과로 발생한다.감마 방출로 이어지는 핵의 흥분 상태는 보통 알파 또는 베타 입자의 방출 후에 발생한다.따라서 감마 붕괴는 보통 알파나 베타 붕괴를 따른다.

다른 희귀한 유형의 방사능 붕괴에는 중성자, 양성자 또는 핵 덩어리의 방출 또는 둘 이상의 베타 입자가 포함된다.흥분된 핵이 다른 방식으로 에너지를 잃게 하는 감마 방출의 아날로그는 내부 변환이다. 즉 베타선이 아닌 고속 전자를 생성하고 감마선이 아닌 고에너지 광자를 생산하는 과정이다.몇 개의 큰 핵은 자연적 핵분열이라고 불리는 붕괴에서 다양한 질량의 두 개 이상의 충전된 파편과 여러 개의 중성자로 폭발한다.

각 방사성 동위원소에는 표본의 절반이 붕괴하는 데 필요한 시간에 따라 결정되는 특성 붕괴 시간인 반감기가 있다.이것은 반감기마다 나머지 동위원소의 비율을 꾸준히 50%씩 감소시키는 지수적인 붕괴 과정이다.따라서 두 개의 반감기가 지난 후에 동위원소의 25%만 존재하는 등등이 나타난다.[83]

자기 모멘트

주요 기사:전자자기모멘트 및 핵자기모멘트

기초 입자는 스핀이라고 알려진 본질적인 양자 역학적 특성을 가지고 있다.이는 엄밀히 말하면 이 입자들이 점처럼 여겨져 회전하고 있다고는 말할 수 없지만 질량 중심 주위를 돌고 있는 물체의 각운동량과 유사하다.스핀은 감소된 플랑크 상수(ħ)의 단위로 측정되며, 전자, 양성자 및 중성자는 모두 스핀 spin 또는 "스핀 ½"을 가지고 있다.원자핵에서 핵 주위에서 움직이고 있는 전자는 스핀 외에도 궤도 각도 운동량을 가지고 있는 반면, 핵 자체는 핵 스핀으로 인해 각 운동량을 가지고 있다.[86]

원자(자성 모멘트)에 의해 생성되는 자기장은 회전하는 전하 물체가 고전적으로 자기장을 생성하는 것처럼 이러한 다양한 형태의 각운동량에 의해 결정되지만, 가장 지배적인 기여는 전자 스핀에서 나온다.동일한 양자 상태에서 두 개의 전자가 발견되지 않는 파울리 배제 원리에 따르는 전자의 특성상 결합 전자는 서로 짝을 이루며 각 쌍의 한 멤버는 스핀 업 상태로, 다른 한 멤버는 반대로 스핀 다운 상태로 한다.따라서 이 스핀들은 서로 상쇄하여, 일부 원자에서는 짝수 수의 전자가 있는 총 자기 쌍극자 모멘트를 0으로 감소시킨다.[87]

철, 코발트, 니켈과 같은 강자성 요소에서, 홀수의 전자는 손상되지 않은 전자와 순 전체 자성 모멘트로 이어진다.인접한 원자의 궤도는 서로 겹쳐지고 낮은 에너지 상태는 미숙련 전자의 스핀이 서로 정렬될 때 달성되는데, 이는 교환 상호작용이라고 알려진 자발적 과정이다.강자성 원자의 자기 모멘트가 일렬로 늘어서면 그 물질은 측정할 수 있는 거시적 장을 만들어낼 수 있다.파라자성 물질은 자기장이 존재하지 않을 때 임의의 방향으로 정렬되는 자기 모멘트를 가진 원자를 가지고 있지만 개별 원자의 자기 모멘트는 자기장이 있는 곳에서 정렬한다.[87][88]

원자의 핵은 중성자와 양성자의 짝수 숫자를 모두 가질 때 스핀을 갖지 않지만, 홀수의 다른 경우 핵은 스핀을 가질 수 있다.일반적으로 스핀을 가진 핵은 열 평형 때문에 임의의 방향으로 정렬되지만, 특정 원소(제논-129 등)의 경우 핵 스핀 상태의 상당한 비율을 같은 방향으로 정렬하도록 편극화할 수 있다(초극화라고 하는 조건).이것은 자기 공명 영상에 중요한 응용을 한다.[89][90]

에너지 레벨

이러한 전자의 에너지 수준(스케일링하지 않음)은 카드뮴(5s2 4d10)까지의 원자의 접지 상태에 포괄적으로 충분하다.다이어그램의 상단조차도 결합되지 않은 전자 상태보다 낮다는 것을 잊지 마십시오.

원자에서 전자의 전위 에너지는 핵으로부터의 거리가 무한대로 갈 때 상대적인 음이다. 전자의 위치에 대한 의존도는 대략 거리에 반비례하여 핵 내부의 최소치에 도달한다.양자-기계 모델에서, 바운드 전자는 핵 중심의 상태 집합만 차지할 수 있으며, 각 상태는 특정 에너지 수준에 해당된다. 이론적 설명은 시간 독립적인 슈뢰딩거 방정식을 참조한다.에너지 수준은 원자로부터 전자를 분리하는 데 필요한 에너지의 양으로 측정할 수 있으며, 보통 전자볼트(eV) 단위로 주어진다.바운드 전자의 가장 낮은 에너지 상태를 지상 상태(즉, 정지 상태)라고 하며, 전자가 더 높은 수준으로 전환하면 흥분 상태가 된다.[91]전자의 에너지는 n과 함께 증가하는데, 이는 핵과의 (평균) 거리가 증가하기 때문이다.ℓ에 대한 에너지의 의존은 핵의 정전기 전위가 아니라 전자간의 상호작용에 의해 발생한다.

닐스 보어 모델에 따르면 슈뢰딩거 방정식으로 정밀하게 계산할 수 있는 것은 지반 상태와 같은 두 가지 상태(예: 지반 상태)에서 첫 번째 흥분 상태로 전환하기 위해서는 그러한 수준의 전위 에너지 차이와 일치하는 에너지로 광자를 흡수하거나 방출해야 한다.전자는 입자 같은 방식으로 궤도 사이를 점프한다.예를 들어, 단일 광자가 전자를 타격할 경우, 단 하나의 전자만이 광자에 반응하여 상태를 변화시킨다. 전자 특성을 참조한다.

방출된 광자의 에너지는 주파수에 비례하므로 이러한 특정 에너지 수준은 전자기 스펙트럼에서 구별되는 대역으로 나타난다.[92]각 원소에는 핵전하, 전자가 채운 서브쉘, 전자와 다른 요인 사이의 전자기적 상호작용에 따라 달라질 수 있는 특성 스펙트럼이 있다.[93]

스펙트럼 내 흡수선의 예

연속적인 에너지 스펙트럼이 기체나 플라스마를 통과하면 광자의 일부가 원자에 의해 흡수되어 전자가 에너지 수준을 변화시킨다.그들의 원자에 묶인 채로 남아 있는 흥분된 전자들은 광자로써 이 에너지를 자연적으로 방출하고, 임의의 방향으로 이동하며, 그래서 다시 낮은 에너지 수준으로 떨어지게 된다.따라서 원자는 에너지 출력에서 일련의 어두운 흡수 띠를 형성하는 필터처럼 작용한다.(배경자는 배경의 연속 스펙트럼을 포함하지 않는 뷰에서 원자를 보는 대신 원자에 의해 방출되는 광자의 일련의 방출선을 본다.)원자 스펙트럼 라인의 강도 및 폭에 대한 분광학적 측정은 물질의 구성과 물리적 특성을 결정할 수 있다.[94]

스펙트럼 라인을 정밀하게 검사하면 미세한 구조물이 쪼개지는 현상이 나타난다.이것은 가장 바깥쪽 전자의 스핀과 움직임 사이의 상호작용인 스핀-오빗 커플링 때문에 발생한다.[95]원자가 외부 자기장에 있을 때, 스펙트럼 라인은 세 가지 이상의 성분으로 나뉘는데, 그것은 Zeman effect라고 불리는 현상이다.이것은 자기장과 원자의 자기 모멘트의 상호작용으로 야기된다.일부 원자는 동일한 에너지 수준을 가진 다중 전자 구성을 가질 수 있으며, 따라서 단일 스펙트럼 라인으로 나타난다.자기장과 원자의 상호작용은 이러한 전자 구성을 약간 다른 에너지 수준으로 이동시켜 복수의 스펙트럼 라인을 생성한다.[96]외부 전기장의 존재는 전자 에너지 수준을 수정함으로써 스펙트럼 라인의 유사한 분열과 이동을 유발할 수 있는데, 이는 스타크 효과라고 불리는 현상이다.[97]

만약 바운드 전자가 흥분 상태에 있다면, 적절한 에너지와 상호 작용하는 광자는 일치하는 에너지 수준의 광자의 방출 자극을 유발할 수 있다.이런 일이 일어나기 위해서는 전자는 상호 작용하는 광자의 에너지와 일치하는 에너지 차이를 가진 낮은 에너지 상태로 떨어져야 한다.방출된 광자와 상호 작용하는 광자는 일치하는 위상과 함께 병렬로 이동한다.즉, 두 광자의 파동 패턴이 일치한다.이 물리적 특성은 레이저를 만드는 데 사용되는데, 이것은 좁은 주파수 대역에서 일관성 있는 빛 에너지 빔을 방출할 수 있다.[98]

발란스 및 본딩 동작

주요기사 : 발란스(화학)와 화학결합

용기는 원소의 결합력이다.그것은 그것이 다른 원자나 그룹에 형성될 수 있는 결합의 수에 의해 결정된다.[99]결합되지 않은 상태에서 원자의 가장 바깥쪽 전자 껍질은 발란스 껍질이라고 알려져 있고, 그 껍질 속의 전자는 발란스 전자라고 불린다.발란스 전자의 수는 다른 원자와의 결합 동작을 결정한다.원자는 외부 용맹의 껍질을 채우는 방식으로 화학적으로 서로 반응하는 경향이 있다.[100]예를 들어, 원자 사이의 단일 전자의 전달은 채운 껍질보다 더 많은 1전자를 가진 원자와 완전한 껍질이 부족한 다른 원자 사이에 형성되는 결합에 유용한 근사치로, 예를 들어 복합 염화나트륨과 다른 화학 이온염에서 발생한다.많은 원소들은 다중 발진 또는 다른 화합물에서 서로 다른 수의 전자를 공유하는 경향을 보인다.그러므로 이들 원소들 사이의 화학적 결합은 단순한 전자전달 이상의 많은 형태의 전자 공유를 취한다.그 예로는 원소 탄소 및 유기 화합물을 들 수 있다.[101]

화학 원소는 종종 반복되는 화학적 특성을 나타내기 위해 배열된 주기율표에 표시되며, 발란스 전자 수가 같은 원소는 표의 같은 열에 정렬된 그룹을 형성한다.(수평행은 전자의 양자껍질을 채우는 것에 해당한다.)테이블의 맨 오른쪽에 있는 원소들은 외부 껍질이 전자로 완전히 채워져 있고, 이것은 고귀한 기체로 알려진 화학적으로 불활성 원소를 낳는다.[102][103]

미국.

주요 기사:물질 상태 및 단계(물질)
보스-아인슈타인 응축수의 형성을 보여주는 그래픽

원자의 양은 온도와 압력 등 물리적 조건에 따라 달라지는 물질의 다른 상태에서 발견된다.조건을 변화시킴으로써 물질은 고체, 액체, 가스, 플라스마 사이에서 전환될 수 있다.[104]한 상태 내에서 물질은 다른 할당량에서도 존재할 수 있다.이것의 예로는 흑연이나 다이아몬드로 존재할 수 있는 고체 탄소가 있다.[105]디옥시겐과 오존과 같은 기체 할당제도 존재한다.

절대 영도에 가까운 온도에서 원자는 보세-아인슈타인 응축수를 형성할 수 있는데, 이때 원자 척도에서만 일반적으로 관측되는 양자 기계적 효과가 거시적 척도로 뚜렷해진다.[106][107]이렇게 냉각된 원자의 집합체는 단일의 초원자로서 작용하며, 이는 양자역학적 거동의 근본적인 확인을 가능하게 할 수 있다.[108]

식별

이 금(100) 표면을 구성하는 개별 원자를 보여주는 터널링 현미경 이미지 스캔.표면 원자는 벌크 결정 구조에서 이탈하여 그 사이에 구덩이가 있는 여러 개의 원자를 열로 배열한다(표면 재구성 참조).

원자는 너무 작아서 볼 수 없는 반면, 스캐닝 터널링 현미경(STM)과 같은 장치는 고체의 표면에서 원자의 시각화를 가능하게 한다.현미경은 입자가 고전적인 관점에서 극복할 수 없는 장벽을 통과할 수 있도록 하는 양자 터널링 현상을 이용한다.전자는 두 편향된 전극 사이의 진공 속을 터널을 통과하여 이들의 분리에 기하급수적으로 의존하는 터널링 전류를 제공한다.하나의 전극은 이상적으로 단일 원자로 끝나는 날카로운 팁이다.표면 스캔의 각 지점에서 터널링 전류를 설정값으로 유지하도록 팁의 높이를 조정한다.팁이 표면을 얼마나 오가느냐가 높이 프로파일로 해석된다.저편향의 경우, 현미경은 밀접하게 채워진 에너지 수준, 즉 페르미 수준 근처의 전자 상태의 국부적 밀도에 걸쳐 평균 전자 궤도를 촬영한다.[109][110]관련된 거리 때문에, 두 전극은 매우 안정적일 필요가 있다; 오직 그 때만이 개별 원자에 해당하는 주기성을 관찰할 수 있다.그 방법만으로는 화학적으로 구체적이지 않고, 표면에 존재하는 원자 종을 식별할 수 없다.

원자는 질량으로 쉽게 식별할 수 있다.만약 원자가 그 전자들 중 하나를 제거하여 이온화된다면, 원자가 자기장을 통과할 때의 궤적은 구부러질 것이다.움직이는 이온의 궤적이 자기장에 의해 회전하는 반경은 원자의 질량에 의해 결정된다.질량분석기는 이온의 질량 대 충전 비율을 측정하기 위해 이 원리를 사용한다.표본에 여러 개의 동위원소가 포함된 경우 질량분석기는 서로 다른 이온 빔의 강도를 측정하여 표본 내 각 동위원소의 비율을 결정할 수 있다.원자를 기화시키는 기법에는 유도결합 플라즈마 원자 방출 분광법과 유도결합 플라즈마 질량 분광법이 있는데, 두 기법 모두 플라즈마를 사용해 분석용 샘플을 기화한다.[111]

원자-프로브 단층계는 3-D 단위의 나노미터 이하의 분해능을 가지며 비행시간 질량분석을 이용해 개별 원자를 화학적으로 식별할 수 있다.[112]

코어 전자의 결합 에너지를 측정하는 X선 광전자 분광법(XPS)과 오거 전자 분광법(AES) 등 전자 방출 기법은 표본에 존재하는 원자 종을 비파괴 방식으로 식별하는 데 사용된다.적절히 초점을 맞추면 둘 다 지역별로 만들 수 있다.또 다른 그러한 방법은 전자 에너지 손실 분광학(EELS)으로, 전자 빔이 샘플의 일부와 상호작용할 때 송신 전자 현미경 내에서 전자 빔의 에너지 손실을 측정한다.

흥분 상태의 스펙트럼은 원거리 항성의 원자 구성을 분석하는 데 사용할 수 있다.별에서 관측된 빛에 포함된 특정 빛의 파장은 분리될 수 있으며 자유 가스 원자의 정량화된 전환과 관련된다.이러한 색상은 동일한 원소를 포함하는 기체 방전 램프를 사용하여 복제할 수 있다.[113]헬륨은 지구에서 발견되기 23년 전 태양의 스펙트럼에서 이런 방식으로 발견되었다.[114]

원점 및 현재 상태

바이오닉 물질은 관측 가능한 우주의 총 에너지 밀도의 약 4%를 형성하며, 평균 밀도는 약 0.25 입자/m3(대부분 양자와 전자)이다.[115]은하수와 같은 은하 내에서는 입자가 훨씬 더 높은 농도를 가지며, 성간 매체(ISM)의 물질의 밀도는 10~10원자59/m에3 이른다.[116]태양은 국부 거품 안에 있다고 여겨지기 때문에 태양 주변의 밀도는 약 10개의3 원자/m에3 불과하다.[117]항성은 ISM의 촘촘한 구름에서 형성되며, 항성의 진화 과정은 수소와 헬륨보다 더 거대한 원소를 가진 ISM이 꾸준히 농축되는 결과를 낳는다.

은하수의 바이로닉 물질의 최대 95%가 원자 물질에 불리한 조건이 있는 항성 내부에 집중되어 있다.총 쌍방향 질량은 은하 질량의 약 10%이다.[118] 질량의 나머지 부분은 알려지지 않은 암흑 물질이다.[119]항성 내부의 높은 온도는 대부분의 "atoms"가 완전히 이온화되게 하고, 즉 모든 전자를 핵으로부터 분리시킨다.표면층을 제외한 별의 잔해에서 엄청난 압력은 전자 껍데기를 불가능하게 만든다.

포메이션

주요 기사:핵합성법
각 원소의 기원을 보여주는 주기율표.탄소로부터 유황에 이르는 원소들은 알파 과정에 의해 작은 별들로 만들어질 수 있다.철을 넘어선 원소는 느리게 중성자 포획(s-process)을 하는 큰 별에서 만들어진다.철분보다 무거운 원소는 r-과정 후 중성자 별 합병이나 초신성에서 만들어질 수 있다.

전자는 빅뱅의 초기 단계부터 우주에 존재한다고 생각된다.원자핵은 핵합성 반응에서 형성된다.약 3분 안에 빅뱅 핵합성술은 우주의 헬륨, 리튬, 중수소의 대부분을 생성했고, 아마도 베릴륨과 붕소의 일부를 생성했을 것이다.[120][121][122]

원자의 유비쿼터스성과 안정성은 결합 에너지에 의존하는데, 이는 원자가 핵이나 전자의 결합되지 않은 시스템보다 낮은 에너지를 가지고 있다는 것을 의미한다.온도가 이온화 전위보다 훨씬 높은 곳에, 이 물질은 양전하 이온(아마도 맨 핵)과 전자의 기체인 플라즈마의 형태로 존재한다.온도가 전리화 전위 이하로 떨어지면 원자는 통계적으로 유리해진다.원자(결합 전자가 있는 완전체)는 빅뱅 이후 38만년 후에 충전된 입자 위에 지배하게 되었는데, 이는 팽창하는 우주가 핵에 전자가 붙을 수 있을 정도로 냉각된 재결합이라고 불리는 시대였다.[123]

탄소나 더 무거운 원소를 생산하지 않은 빅뱅 이후 원자핵은 핵융합 과정을 통해 별에서 결합되어 더 많은 원소 헬륨을 생산하고, (트리플 알파 과정을 통해) 탄소에서 철까지 원소들의 배열은 별 핵합성을 참조한다.[124]

리튬-6과 같은 동위 원소는 물론 일부 베릴륨과 붕소 등이 우주 광선 분사를 통해 우주에서 생성된다.[125]이것은 고에너지 양성자가 원자핵과 충돌하여 많은 수의 핵이 배출될 때 발생한다.

철보다 무거운 원소는 r-과정을 통해 초신성 및 중성자 별과 충돌하는 AGB 별에서 생성되었으며, 이 둘 다 원자핵에 의한 중성자 포획을 수반한다.[126]납과 같은 원소는 주로 무거운 원소의 방사능 붕괴를 통해 형성되었다.[127]

지구

지구와 그 거주자들을 구성하는 대부분의 원자들은 분자 구름에서 떨어져 나와 태양계를 형성하는 성운 속에 현재의 형태로 존재하고 있었다.나머지는 방사성 붕괴의 결과물이며, 그 상대적 비율은 방사선 연애를 통해 지구의 나이를 결정하는 데 사용될 수 있다.[128][129]지구의 지각에 있는 헬륨의 대부분은 알파 붕괴의 산물이다(헬륨-3의 낮은 풍부함에서 알 수 있듯이 가스 우물에서 나오는 헬륨의 약 99%는 알파 붕괴의 산물이다.[130]

지구에는 초기에 존재하지 않았던 미량 원자가 몇 개 있다(즉, "원초"가 아님), 방사성 붕괴의 결과도 없다.탄소-14는 대기 중의 우주 광선에 의해 지속적으로 생성된다.[131]지구의 일부 원자는 원자로나 폭발의 부산물로서 고의적으로 또는 인위적으로 생성되어 왔다.[132][133]원자 번호가 92보다 큰 원소들 중 오직 플루토늄과 넵투늄만이 지구에서 자연적으로 발생한다.[134][135]초우라늄 원소는 현재 지구의[136] 나이보다 방사능 수명이 짧고 따라서 이러한 원소의 식별 가능한 양은 붕괴된 지 오래되었지만, 플루토늄-244의 흔적은 우주 먼지에 의해 침전되었을 수 있다.[128]플루토늄과 넵투늄의 자연 침전물은 우라늄 광석에 중성자 포획에 의해 생산된다.[137]

지구에는 약 1.33×10개의50 원자가 있다.[138]아르곤, 네온, 헬륨 등 고귀한 가스의 독립 원자가 소수에 불과하지만 대기의 99%는 이산화탄소와 이원자산소와 질소를 포함한 분자의 형태로 묶여 있다.지구 표면에서는 압도적으로 많은 원자들이 결합하여 물, 소금, 규산염, 산화물을 포함한 다양한 화합물을 형성한다.원자는 또한 결합하여 결정과 액체 또는 고형 금속을 포함한 이산 분자로 구성되지 않는 물질을 만들 수 있다.[139][140]이 원자 물질은 분자 물질과 관련된 특정 유형의 소규모 중단 질서가 결여된 네트워크 배치를 형성한다.[141]

희귀하고 이론적인 형태

초헤비 원소

주요 기사:초헤비원소

원자 번호가 82(납) 이상인 핵종은 모두 방사성 물질인 것으로 알려져 있다.지구에는 원자수가 92(우라늄)를 초과하는 핵종이 원시 핵종으로 존재하지 않으며, 무거운 원소는 일반적으로 짧은 반감기를 가진다.그럼에도 불구하고 110~114의 원자 번호로 비교적 오래 지속되는 초중량[142] 원소의 동위원소를 포괄하는 "안정성의 섬"이 존재할 수 있다.[143]섬에서 가장 안정된 핵종의 반감기에 대한 예측은 몇 분에서 수백만 년까지 다양하다.[144]어떤 경우든 안정화 효과가 없는 상태에서 쿨롱 반발증(점점 반감기로 자연분열을 초래함)이 증가하기 때문에(Z > 104) 초중량 원소는 존재하지 않을 것이다.[145]

이국물

주요 기사:이국물

물질의 각 입자는 반대 전하를 가진 상응하는 반물질 입자를 가지고 있다.따라서 양전자는 양전하 항전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하 양전하이다.물질과 그에 상응하는 반물질 입자가 만나면 서로를 섬멸한다.이 때문에 물질의 수와 반물질 입자의 불균형과 함께 후자는 우주에서 드물다.이 불균형의 첫 번째 원인은 아직 완전히 이해되지는 않았지만, 쌍생식에 대한 이론은 설명을 제공할 수 있다.그 결과 자연에서 반물질 원자는 발견되지 않았다.[146][147]1996년 제네바에 있는 CERN 연구소에서 수소 원자(항수소)의 반물질 대응체가 합성되었다.[148][149]

다른 이국적인 원자는 양성자, 중성자 또는 전자 중 하나를 같은 전하를 가진 다른 입자로 대체함으로써 생성되었다.예를 들어, 전자는 뮤온 원자를 형성하면서 더 거대한 뮤온으로 대체될 수 있다.이러한 유형의 원자는 물리학의 근본적인 예측을 시험하는 데 사용될 수 있다.[150][151][152]

참고 항목

메모들

  1. ^ 최신 업데이트는 웨이백머신에 보관된 2020년 7월 25일 브룩헤이븐 국립 연구소의 뉴클리드 대화형 차트 ]를 참조하십시오.
  2. ^ 캐럿은 200밀리그램이다.정의상 탄소-12는 몰당 0.012kg이다.아보가드로 상수는 몰당 6×1023 원자를 정의한다.
  1. ^ 산화철(II)의 공식은 여기에 더 전통적인 FeO가 아닌 FeO로22 쓰여 있는데, 이는 설명을 더 잘 보여주기 때문이다.

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참고 문헌 목록

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외부 링크