초창기부터 인류는 우주와 우주의 모든 것이 무엇으로 구성되어 있는지 이해하려고 노력해 왔습니다. 고대의 동방 박사와 철학자들은 지구, 공기, 물, 불 (및 금속, 의식) 등 4 ~ 5 가지 요소로 구성된 세계를 고전적 유물로 생각했지만, 철학자들은 모든 문제가 실제로 작은 것으로 구성되었다고 이론화하기 시작했습니다. 보이지 않는 불가분의 원자.
그 이후로 과학자들은 원자의 진정한 본질과 구성을 발견하기를 희망하면서 원자를 지속적으로 발견하는 과정에 참여해 왔습니다. 20 세기에 이르러서는 정확한 모델을 만들 수있을 정도로 이해력이 향상되었습니다. 그리고 지난 10 년 동안, 우리는 거의 모든 이론화 된 부분의 존재를 확인하기 위해 우리의 이해가 더욱 발전했습니다.
오늘날 원자 연구는 아 원자 수준에서 물질의 구조와 기능을 연구하는 데 중점을두고 있습니다. 이것은 원자를 구성하는 것으로 생각되는 모든 아 원자 입자를 식별하는 것뿐만 아니라 원자를 구성하는 힘을 조사하는 것으로 구성됩니다. 여기에는 강력한 핵력, 약한 핵력, 전자기 및 중력이 포함됩니다. 지금까지 원자에 대해 배운 모든 내용은 다음과 같습니다.
원자의 구조 :
우리의 현재 원자 모델은 양성자, 중성자 및 전자의 세 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 이들 각각의 부분은 관련 전하를 가지며, 양성자는 양전하를 운반하고, 전자는 음전하를 가지며 중성자는 순 전하를 갖지 않는다. 입자 물리학의 표준 모델에 따르면, 양성자와 중성자는 원자의 핵을 구성하는 반면, 전자는“구름”에서 공전합니다.
원자의 전자는 전자기력에 의해 핵의 양성자에게 끌립니다. 전자는 궤도에서 빠져 나갈 수 있지만 외부 에너지 원에 대한 반응으로 만 탈출 할 수 있습니다. 전자가 핵에 더 가까운 궤도에 가까울수록 인력이 커집니다. 따라서, 전자가 빠져 나가게하는 데 필요한 외력이 더 강해진다.
전자는 다수의 궤도에서 핵을 선회하며, 각 궤도는 전자의 특정 에너지 수준에 해당합니다. 전자는 새로운 양자 상태로 부스트하기에 충분한 에너지를 가진 광자를 흡수함으로써 그 상태를 더 높은 에너지 레벨로 변화시킬 수있다. 마찬가지로, 더 높은 에너지 상태의 전자는 더 많은 에너지를 광자로서 방출하면서 더 낮은 에너지 상태로 떨어질 수있다.
원자는 같은 수의 양성자와 전자를 가지고 있다면 전기적으로 중립적입니다. 전자가 부족하거나 잉여 인 원자를 이온이라고합니다. 핵에서 가장 먼 전자는 다른 근처의 원자로 옮겨 지거나 원자간에 공유 될 수 있습니다. 이 메커니즘에 의해 원자는 분자 및 다른 유형의 화합물에 결합 할 수 있습니다.
이들 3 개의 아 원자 입자는 모두 기본 (전자) 또는 복합 (양성자 및 중성자) 인 물질과 관련된 입자의 종류 인 Fermions이다. 이것은 전자가 알려진 내부 구조를 가지고 있지 않지만, 양성자와 중성자는 다른 아 원자 입자로 구성되어 있음을 의미합니다. 쿼크라고합니다. 원자에는 두 가지 유형의 쿼크가 있으며 분수 전하가 있습니다.
양성자는 두 개의“위”쿼크 (각각 +2/3의 충전량)와 하나의“다운”쿼크 (-1/3)로 구성되며, 중성자는 하나의 업 쿼크와 두 개의 쿼크로 구성됩니다. 이 차이는 두 입자 사이의 전하 차이를 설명하는데, 이는 각각 +1과 0의 전하로 작용하는 반면 전자는 -1의 전하를 갖는다.
다른 아 원자 입자에는 Lepton이 포함되는데, 이는 Fermions와 결합하여 물질의 빌딩 블록을 형성합니다. 현재 원자 모델에는 6 개의 렙톤이 있습니다 : 전자, 뮤온, 타우 입자, 그리고 관련된 중성미자. 일반적으로 "향미 제"라고하는 다양한 종류의 Lepton 입자는 크기와 전하로 구분되어 전자기 상호 작용 수준에 영향을줍니다.
그런 다음 물리적 힘을 매개하기 때문에 "힘 캐리어"라고하는 게이지 보손이 있습니다. 예를 들어, 글루온은 쿼크를 고정시키는 강력한 핵력을 담당하는 반면, W 및 Z boson (여전히 가정적인)은 전자기파의 약한 핵력을 담당하는 것으로 여겨집니다. 광자는 빛을 구성하는 기본 입자이며 Higgs Boson은 W와 Z boson에게 질량을 부여합니다.
원자 질량:
원자 질량의 대부분은 핵을 구성하는 양성자와 중성자에서 나옵니다. 전자는 질량이 9.11 x 10 인 원자 구성 입자 중 최소 질량입니다-31 현재 기술로 측정하기에는 kg 및 크기가 너무 작습니다. 양성자는 1.6726 × 10에서 전자의 질량의 1,836 배입니다.-27 1.6929 × 10에서 중성자가 가장 큰 반면 kg-27 kg (전자 질량의 1,839 배).
원자핵의 총 양성자와 중성자 수 ( "핵자"라고 함)를 질량수라고합니다. 예를 들어, Carbon-12 원소는 12 개의 핵자 (6 개의 양성자와 6 개의 중성자)에서 파생 된 질량수가 12이기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 그러나 원소는 원자 번호를 기준으로 배열되며 핵에서 발견되는 양성자의 수와 동일합니다. 이 경우 탄소의 원자 번호는 6입니다.
가장 큰 원자들도 기존 단위로 표현하기에는 너무 가볍기 때문에 휴지 상태의 원자의 실제 질량은 측정하기가 매우 어렵습니다. 따라서 과학자들은 종종 탄소 원자 12의 자유 중성 원자 질량의 12 분의 1로 정의되는 달톤 (Da)이라고도하는 통일 원자 질량 단위 (u)를 사용합니다. 이는 대략 1.66 × 10입니다.-27 킬로그램.
화학자들은 또한 항상 같은 수의 원자 (약 6.022 × 10)를 갖는 어떤 원소의 1 몰로 정의 된 단위 인 몰을 사용합니다.23). 이 숫자는 원소의 원자 질량이 1u 인 경우, 그 원소의 원자 몰이 1 그램에 가까운 질량을 갖도록 선택되었습니다. 통합 원자 질량 단위의 정의로 인해, 각각의 탄소 -12 원자는 정확히 12 u의 원자 질량을 가지므로, 탄소 -12 원자의 몰은 정확히 0.012 kg입니다.
방사성 붕괴:
동일한 수의 양성자를 갖는 임의의 2 개의 원자는 동일한 화학 원소에 속한다. 그러나 동일한 수의 양성자를 갖는 원자는 다른 수의 중성자를 가질 수 있으며, 이는 동일한 원소의 다른 동위 원소로 정의됩니다. 이 동위 원소는 종종 불안정하며 원자 번호가 82보다 큰 모든 것은 방사성 인 것으로 알려져 있습니다.
원소가 붕괴되면 그 핵은 방사선을 방출하여 에너지를 잃습니다. 이것은 알파 입자 (헬륨 원자), 베타 입자 (양전자), 감마선 (고주파 전자기 에너지) 및 변환 전자로 구성 될 수 있습니다. 불안정한 요소가 붕괴되는 비율을 "반감기"라고하며, 이는 요소가 초기 값의 절반으로 떨어지는 데 필요한 시간입니다.
동위 원소의 안정성은 양성자 대 중성자의 비율에 영향을받습니다. 지구상에서 자연적으로 발생하는 339 가지의 다른 요소들 중 254 개 (약 75 %)는“안정적인 동위 원소”로 표시되어 있습니다. 추가로 34 개의 방사성 원소는 반감기가 8 천만년보다 길고 초기 태양계 이후로 존재 해왔다 (따라서“원초적 요소”라고 불린다).
마지막으로, 다른 원소 (우라늄으로부터의 라듐과 같은)의 붕괴의“딸 원소”(즉, 핵 부산물)로서 추가적인 51 개의 단기 원소가 자연적으로 발생하는 것으로 알려져있다. 또한 수명이 짧은 방사성 요소는 우주의 충격 (예 : 대기에서 발생하는 탄소 14)과 같은 지구의 자연 에너지 과정의 결과 일 수 있습니다.
연구의 역사 :
가장 초기에 알려진 원자 이론의 예는 고대 그리스와 인도에서 나 왔으며, Democritus와 같은 철학자들은 모든 문제가 작은, 불가분의, 파괴 불가능한 단위로 구성되어 있다고 가정했습니다. “아톰”이라는 용어는 고대 그리스에서 만들어졌으며“아톰”이라고 알려진 생각의 학교를 일으켰습니다. 그러나이 이론은 과학적 개념보다 철학적 개념에 가깝습니다.
19 세기까지 원자 이론이 과학적 문제로 명료 해지고 최초의 증거 기반 실험이 수행되었다. 예를 들어, 1800 년대 초 영국의 과학자 존 달튼 (John Dalton)은 원자의 개념을 사용하여 화학 원소가 관찰 가능하고 예측 가능한 방식으로 반응 한 이유를 설명했습니다.
Dalton은 왜 원소들이 작은 정수의 비율로 반응했는지에 대한 질문으로 시작했으며, 이러한 반응은 정수의 이산 단위, 즉 원자의 배수로 발생했다고 결론지었습니다. 가스와 관련된 일련의 실험을 통해 Dalton은 Dalton 's Atomic Theory라고 알려진 것을 개발했습니다.이 이론은 현대 물리 및 화학의 초석 중 하나입니다.
이론은 5 가지 전제로 나뉩니다. 가장 순수한 상태의 원소는 원자라고 불리는 입자로 구성됩니다. 특정 원소의 원자는 모두 마지막 원자까지 동일합니다. 상이한 원소의 원자는 그들의 원자량으로 구별 될 수있다; 원소의 원자가 결합하여 화합물을 형성하고; 원자는 화학 반응에서 생성되거나 파괴 될 수 없으며 그룹화 만 변경됩니다.
19 세기 후반, 과학자들은 원자가 하나 이상의 기본 단위로 구성되어 있다고 이론화하기 시작했습니다. 그러나 대부분의 과학자들은이 단위가 알려진 가장 작은 원자 인 수소의 크기가 될 것이라고 벤처했다. 그리고 1897 년에 캐소드 선을 이용한 일련의 실험을 통해 물리학 자 J.J. 톰슨은 수소 원자보다 1000 배 작고 1800 배 가벼운 장치를 발견했다고 발표했다.
그의 실험은 또한 광전 효과와 방사성 물질에 의해 방출 된 입자와 동일하다는 것을 보여 주었다. 후속 실험은이 입자가 원자 내의 금속 와이어 및 음전하를 통해 전류를 전달한다는 것을 밝혀냈다. 1874 년 George Johnstone Stoney의 입자가 예측 된 후, 원래“corpuscle”로 명명 된 입자가 나중에“전자”로 변경된 이유는 무엇입니까?
그러나 Thomson은 또한 전자가 원자 전체에 분포되어 있으며 양전하의 균일 한 바다라고 가정했다. 이것은 "매화 푸딩 모델"로 알려졌으며, 나중에 잘못되었다는 것이 증명되었습니다. 물리학자인 Hans Gieger와 Ernest Marsden (Ernest Rutherfod의 지시하에)이 금속 포일과 알파 입자를 사용하여 실험을했을 때 1909 년에 일어났다.
Dalton의 원자 모델과 일관되게 알파 입자는 변형이 거의없이 호일을 곧게 통과 할 것이라고 믿었습니다. 그러나, 많은 입자들이 90 °보다 큰 각도로 편향되었다. 이것을 설명하기 위해 Rutherford는 원자의 양전하가 중심의 작은 핵에 집중되어 있다고 제안했다.
1913 년 물리학자인 닐스 보어 (Niels Bohr)는 전자가 핵을 공전하는 모형을 제안했지만 유한 궤도에서만 그렇게 할 수 있었다. 그는 또한 전자가 궤도 사이를 뛰어 넘을 수 있지만 광자의 흡수 또는 복사에 해당하는 에너지의 이산 적 변화에서만 가능하다고 제안했다. 이것은 Rutherford의 제안 된 모델을 개선했을뿐만 아니라 물질이 신중한 패킷으로 행동하는 양자화 된 원자의 개념을 일으켰습니다.
자석을 사용하여 이온 빔의 궤적을 구부리는 질량 분석기의 개발로 원자 질량을 증가 된 정확도로 측정 할 수있었습니다. 화학자 Francis William Aston은이 도구를 사용하여 동위 원소의 질량이 다르다는 것을 보여주었습니다. 이어서 물리학 자 제임스 채드윅 (James Chadwick)이 1932 년에 동위 원소의 존재를 설명하는 방법으로 중성자를 제안했다.
20 세기 초에 원자의 양자 특성이 더욱 발전했습니다. 1922 년 독일 물리학 자 오토 스턴 (Otto Stern)과 발터 겔 라흐 (Walther Gerlach)는은 원자의 빔이 자기장을 통해 지향되는 실험을 수행했는데, 이는 원자의 각운동량 (또는 스핀)의 방향 사이에서 빔을 분할하기위한 것이었다.
Stern–Gerlach Experiment로 알려진 결과는 원자의 스핀이 위 또는 아래로 향했는지에 따라 빔이 두 부분으로 분할 된 결과입니다. 1926 년 물리학 자 어윈 슈뢰딩거 (Erwin Schrodinger)는 전자를 단순한 입자가 아닌 3 차원 파형으로 묘사하는 수학적 모델을 개발하기 위해 파도처럼 행동하는 입자라는 아이디어를 사용했습니다.
입자를 설명하기 위해 파형을 사용한 결과는 주어진 시간에 입자의 위치와 운동량 모두에 대한 정확한 값을 얻는 것이 수학적으로 불가능하다는 것입니다. 같은 해 Werner Heisenberg는이 문제를 공식화하고이를“불확실성 원리”라고 불렀습니다. Heisenberg에 따르면, 주어진 정확한 위치 측정을 위해 운동량에 대한 가능한 범위의 값만 얻을 수 있으며 그 반대도 가능합니다.
1930 년대 물리학 자들은 오토 한, 리세 메이트 너, 오토 프리쉬의 실험 덕분에 핵분열을 발견했다. 한의 실험은 중성자를 우라늄 원자로 향하게하는 것인데, 이는 우라늄 원소를 만들기위한 것입니다. 대신,이 과정은 그의 샘플 우라늄 -92 (Urnium-92)를 돌렸다92)를 두 가지 새로운 요소 – 바륨 (B)으로56) 및 크립톤 (Kr)27).
Meitner와 Frisch는 실험을 확인하고 동일한 총 원자량을 갖는 두 원소를 형성하기 위해 우라늄 원자가 분리 된 것으로보고했는데,이 과정은 원자 결합을 끊음으로써 상당한 양의 에너지를 방출했다. 그 후 몇 년 동안이 과정의 가능한 무기화 (즉, 핵무기)에 대한 연구가 시작되었고 1945 년까지 미국 최초의 원자 폭탄이 건설되었습니다.
1950 년대에 과학자들은 개선 된 입자 가속기 및 입자 탐지기의 개발을 통해 고 에너지에서 움직이는 원자의 영향을 연구 할 수있었습니다. 이것으로부터, 입자 물리학의 표준 모델이 개발되어 지금까지 핵의 특성, 이론화 된 아 원자 입자의 존재 및 이들의 상호 작용을 제어하는 힘을 성공적으로 설명했습니다.
현대 실험 :
20 세기 후반 이래로, 원자 이론과 양자 역학에 관한 많은 새롭고 흥미로운 발견이있었습니다. 예를 들어, 2012 년에 Higgs Boson을 오랫동안 검색 한 결과 스위스의 CERN (European Organization for Nuclear Research)에서 일하는 연구원들이 발견을 발표 한 돌파구가되었습니다.
최근 수십 년 동안 물리학 자들은 통일 된 필드 이론 (일명 그랜드 통일 이론 또는 모든 이론)의 발전에 많은 시간과 에너지를 바쳤습니다. 본질적으로 표준 모델이 처음 제안 된 이후로 과학자들은 우주의 네 가지 기본 힘 (중력, 강하고 약한 핵력, 전자기)이 어떻게 작용하는지 이해하려고 노력했습니다.
아인슈타인의 상대성 이론을 통해 중력을 이해할 수있는 반면, 양자 이론을 사용하여 핵력과 전자기력을 이해할 수있는 반면, 이론은 4 가지 힘이 모두 작용하는 것으로 설명 할 수 없습니다. 이 문제를 해결하려는 시도는 수년에 걸쳐 문자열 이론에서 루프 양자 중력에 이르기까지 수많은 제안 된 이론으로 이어졌습니다. 현재까지 이러한 이론 중 어느 것도 획기적인 발전을 가져 오지 못했습니다.
원자에 대한 우리의 이해는 원자가 기계적으로 다른 원자와 상호 작용하는 불활성 고체로 본 고전적 모델에서 원자가 예측할 수없는 에너지 입자로 구성된 현대 이론에 이르기까지 먼 길을 왔습니다. 수천 년이 걸렸지 만 모든 문제의 기본 구조에 대한 지식이 상당히 발전했습니다.
그러나 아직 해결되지 않은 많은 미스테리가 남아 있습니다. 시간과 노력이 계속되면 마침내 원자의 마지막 남은 비밀을 풀 수 있습니다. 다시 한 번, 우리가 발견 한 새로운 발견은 더 많은 질문을 야기 할뿐 아니라 이전에 발견 된 것보다 훨씬 더 혼란 스러울 수 있습니다.
우리는 우주 잡지의 원자에 관한 많은 기사를 썼습니다. 다음은 John Dalton의 원자 모델, Neils Bohr의 원자 모델, Democritus는 누구였습니까? 그리고 우주에는 얼마나 많은 원자가 있습니까?에 관한 기사입니다.
원자에 대한 자세한 정보를 원하시면 NASA의 작은 샘플 분석에 관한 기사를 확인하십시오. 여기에는 원자, 원소 및 동위 원소에 관한 NASA의 기사 링크가 있습니다.
우리는 또한 아톰에 관한 천문학 캐스트의 전체 에피소드를 기록했습니다. 에피소드 164 : 원자 내부, 에피소드 263 : 방사성 붕괴 및 에피소드 394 : 표준 모델, Bosons를 들어보십시오.
