원자의 구성
예를 들어, 우리가 이미 알고 있는 빛은 태양에서 옵니다.
빛은 램프의 필라멘트에서 나옵니다.
빛은 뜨거운 철 덩어리에서 나옵니다.
빛은 촛불에서 나옵니다.
여기에 태양, 필라멘트, 달빛, 촛불 등에서 나오는 빛이 원자라는 공통점이 있다.
원자는 핵과 전자로 구성됩니다.
핵은 원자의 중심에 있고 전자는 핵 주위에 분포되어 있습니다.
전자가 핵을 떠나 궤도를 돌지 못하는 이유는 핵이 전자를 끌어당기는 전기력 때문입니다.
대부분의 일반 원자, 안정한 원자는 빛을 발산하지 않습니다.
안정된 원자는 바닥 상태에 있습니다.
원자의 바닥 상태는 원자가 가장 낮은 에너지 상태에 있음을 의미합니다.
원자가 있는 에너지 상태는 또한 원자에 있는 전자의 에너지 상태를 나타냅니다.
원자에서 핵은 전자만 끌어당기고 원자의 특성에 기여하지 않습니다.
원자에 속한 전자의 상태가 다르기 때문에 원자나 같은 원자의 상태에 따라 성질이 달라진다.
따라서 바닥 상태의 안정한 원자는 원자 내부에서 아무 것도 방출하지 않습니다.
그러나 원자에 에너지가 주입되면 원자에 속한 전자가 그 에너지를 받기 때문에 에너지를 받은 전자는 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변한다.
이러한 고에너지 상태의 전자를 가진 원자는 불안정합니다.
불안정한 원자는 결국 에너지를 방출하고 다시 안정한 원자로 돌아갑니다.
요약하면, 전자가 더 높은 에너지 상태에서 더 낮고 더 안정한 상태로 전이할 때 원자에서 방출된 빛은 두 에너지 상태의 차이와 같은 에너지로 방출됩니다.
이때 방출되는 빛의 주파수는 빛이 운반하는 에너지의 크기에 따라 E=hf로 결정된다.
여기서 E는 빛이 전달하는 에너지의 양과 빛의 주파수이며 h는 플랑크 상수라고 하는 잘 알려진 상수입니다.
이런 식으로 빛은 더 높은 에너지 상태의 원자와 더 낮은 에너지 상태의 원자 사이의 에너지 차이에 해당하는 순수한 에너지의 방출입니다.
이 에너지 차이가 크거나 작음에 따라 방출되는 빛의 주파수가 크거나 작으며 그에 따라 방출되는 빛의 색상이 결정됩니다.
실제로 어떤 경우에는 에너지 차이가 너무 크거나 작아 전자기파가 가시광선 범위 밖에서 방출됩니다.
그러나 원자와 분자 사이의 에너지 상태 차이는 대부분 가시광선 영역에서 전자기파 방출 범위에 있다.
그렇다면 원자의 전자 상태 에너지가 높아지거나 낮아지는 원인은 무엇입니까? 이것은 핵과 전자 사이의 전기력 때문입니다.
더 높은 질량에 대한 지구의 중력이 더 낮은 질량의 에너지보다 더 큰 것과 같습니다.
전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 내려갈 때 방출하는 에너지의 원천은 전자에 전기력을 주는 전기적 상호 작용입니다.
빛과 같이 원자 내부의 미시적 세계에서 나오는 모든 것을 총칭하여 방사선 또는 방사선이라고 합니다.
영어에서는 이 모든 것을 한 단어로 방사선이라고 합니다.
그 중 방사선은 물질이 포함되지 않은 순수한 에너지 흐름이라는 의미에서 전자파를 명명하는 데 주로 사용됩니다.
원자는 핵과 전자로 구성되며 핵에는 양성자와 중성자가 포함됩니다.
원자에는 전자, 양성자 및 중성자만 포함되어 있기 때문에 원자에서 나올 수 있는 유일한 것은 이러한 입자와 이러한 입자의 조합 또는 전자기파입니다.
그래서 방사선은 또한 이것들이 나온다는 것을 의미합니다.
그러나 원자에서 방출된 방사선은 핵에서 다시 방출됩니다.
좋아요. 핵에서 중성자는 자발적으로 양성자와 전자로 변환될 수 있습니다.
베타선은 이 돌연변이에서 방출된 전자입니다.
사실 베타선에 대한 연구는 중성자가 양성자와 전자로 전환될 수 있다는 사실뿐만 아니라 약력이라는 근본적인 상호작용에 대한 정보와 그에 대한 여러 가지 새로운 사실을 알려 주었다.
새로운 자연법칙의 실마리가 된 방사선은 1890년대 중반부터 관측되기 시작했다.
1896년 베크렐(그림 1.2 참조)은 우라늄 화합물 근처에 검은 종이로 둘러싸인 사진 건판이 흐려지는 것을 우연히 발견했습니다.
이것은 방사선의 첫 번째 발견이었습니다.
그는 이 현상이 보이지는 않지만 매우 투과성이 강한 우라늄 방사선 때문이라고 생각했습니다.
X선은 이전에 발견되었기 때문에 추론하기 쉬웠습니다.
얼마 지나지 않아 역청 우라늄 광석에서 우라늄을 추출하는 동안 Curies는 폴로늄과 라듐이라는 두 가지 방사성 원소를 발견했습니다.
그 결과 방사선의 발견이 널리 알려지게 되었고, 방사선은 학자들의 관심을 받기 시작했습니다.
우리 주변의 물질을 구성하는 원소의 핵은 대부분 안정적이어서 아무 것도 방출하지 않지만, 불안정한 핵은 보다 안정되고 에너지가 낮은 상태로 전이하면서 방사선을 방출합니다.
이것을 방사성 붕괴라고 합니다.
감마선이 원자핵에서 방출되면 원자핵의 에너지 상태만 더 낮은 상태로 바뀌지만, 원자핵에서 알파선이나 베타선을 방출하는 원자핵은 다른 종류의 원자핵으로 바뀐다.
방사선은 매우 다른 특성을 가지고 있습니다.
우선 알파선 투과율에서 큰 차이가 난다.
알파선은 베타선도 통과하지 못합니다.
반면 베타선은 손을 투과할 수 있고 감마선은 감마선 손뿐만 아니라 콘크리트도 0.7m 정도 투과할 수 있다.
자연방사능 원소의 핵은 방치해도 자연적으로 붕괴하는 불안정한 성질을 갖고 있어 붕괴할 때 양성자나 중성자를 하나도 방출하지 않는다.
두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 서로 결합하여 방출된다는 것은 매우 흥미롭습니다.
이것은 또한 입자가 이미 핵에 존재하고 서로 잘 결합되어 있다는 증거입니다.
앞서 언급했듯이 핵에는 전자가 없기 때문에 핵에서 베타선이 방출되는 이유를 처음에는 설명하기 어려웠습니다.
결국 이탈리아 핵물리학자 페르미가 제안한 대로 핵 속의 중성자가 양성자와 전자로 바뀌고 그 결과 전자가 나왔다.
페르미는 중성자가 다른 입자인 양성자로 변환되는 현상을 설명할 수 있는 근본적인 상호작용으로 중력과 전기력 외에 또 다른 상호작용, 즉 약한 상호작용이 있어야 한다고 제안했다.
방사성 원소는 자발적으로 다른 핵으로 변환되어 알파, 베타 또는 감마선을 방출합니다.
이 시점에서 동일한 방사성 원소가 많이 수집되면 어느 것이 붕괴할지 아무도 모릅니다.
사람이 많고 오늘 누가 죽을지 모르는 상황과 같다.
처음에는 자연 현상이 그렇게 무작위적일 수 있고 미리 결정되지 않을 수 있다는 것이 조금 이상했습니다.
거시세계에서 일어나는 자연현상 중에 그런 법칙이 없기 때문이다.
그러나 양자역학으로 설명되는 미시세계에서는 모든 자연현상이 이와 같이 거동한다.
1890년대 중후반에 발견된 알파선, 베타선, 감마선은 한때 원자핵에서 유래했다고 합니다.
하지만 당시에는 원자핵에 대해 아무것도 몰랐습니다.
사실 원자핵은 훨씬 나중에야 발견되었습니다.
또한 그 당시에는 원자 내부가 어떻게 생겼는지 몰랐습니다.
엑스선과 감마선이 전자파라는 사실도 몰랐다.
엑스선, 알파선, 베타선, 감마선 등의 방사선에 이름을 붙인 이유는 그것이 무엇인지 몰랐기 때문입니다.
그렇다면 원자핵이 발견되기 전에 사람들은 원자에 대해 어떻게 생각했을까요? 물론 원자의 성질을 추론할 정보가 없던 시절에는 원자가 인간이 이해할 수 없도록 설계되었다는 어렴풋한 상상이 있었다.
한때 사람들이 별이 광택이 나는 수정 구슬 모양이라고 믿었던 것처럼 원자도 더 이상 나눌 수 없는 완전한 구 모양의 반짝이는 수정 구슬로 상상되었을 수 있습니다.
그러나 긴 중세 동안 과학 자체는 그다지 발전하지 않았지만 소위 연금술을 연구하는 동안 많은 화학 반응이 알려졌습니다.