우리 할머니도 쉽다고 인정한 양자역학(어려우면 내 깃털을 뽑으시오)

[최성진]

https://youtu.be/QzQykywi4DI?si=EjR21SrbXwWgqWhO

양자역학(量子力學, quantum mechanics), 혹은 양자물리학(量子物理學, quantum physics)은 원자와 이를 이루는 아원자 입자 등 미시세계와, 그러한 계에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대물리학의 한 분야이다.[1]

주로 미시 세계에 활용되고 있지만 거시 세계와도 밀접한 관련을 갖고 있다. 현실의 모든 거시적 존재들도 결국은 원자의 결합[2]으로 이루어져 있다는 점에서 봤을 때 거시세계 또한 미시세계의 성질에 영향을 받아야 하기 때문이다. 고전역학과의 관련성 문단 참고.

2. 어원[편집]

1924년 막스 보른이 양자역학(Quantenmechanik) 이라는 용어를 처음 사용했다. 여기서 쓰인 양자(quantum)라는 단어는 얼마나 많이(how much)라는 뜻의 라틴어 quantus에서 유래했다.

미시 세계에서 나타나는 가장 큰 특징은 물리량들이 언덕처럼 연속적이지 않고 계단처럼 불연속적이라는 것이다. 물리량이 이처럼 특정한 양의 양자를 통해서 기술된다는 특성을 보일 때 물리량이 양자화되어 있다고 부른다. 미시세계에서 나타나는 물리량들은 양자화되어있기 때문에 이들을 다루는 역학에 양자역학이라는 표현을 사용한다.

양자는 특정한 원소나 아주 작은 알갱이의 명칭이 아니라 일정한 양을 가졌다는 표현이다. 양자라는 것은 쉽게 이야기하면 기본 단위와 비슷한 것이다. 물리량을 어떤 기본 단위의 정수배로 셀 수 있을 때, 그 기본 단위를 양자라고 부른다. 예컨대, 광자의 에너지는 E=hfE=hf로 나타낼 수 있고, 광자 여러 개는 E=nhfE=nhf로 나타낸다. 이렇게 수학적으로 나타낼 수 있는 물리량인 hfhf가 바로 양자(광자)이다.

예를 들어 150의 질량을 가진 야구공들이 있을 때 전체 질량으로 300이나 450은 가능할지언정 150+75로 225는 불가능하다. 빛의 입자성이 밝혀지지 않았던 시절에는 빛 역시 파동의 일종이기 때문에 총 에너지로 어떠한 값도 가능하다고 믿어왔으나 빛의 입자성이 밝혀지면서 빛이 마치 일정한 질량을 가진 물질처럼 단속적으로 에너지를 전달한다는 사실이 밝혀졌다. 이처럼 빛이 파동과 입자의 이중성을 가졌다는 사실을 상보성이라고도 부른다. 대립[3][4]하는 성질들이 상황에 따라 상호 보완적으로 나타난다는 의미다.

더 고전적으로 들어가면 밀리컨의 기름 방울 실험도 있다. 밀리컨의 실험에서 기름 방울의 크기는 제각각이지만 전하량은 어떤 특정 최솟값의 자연수배이고 그 최솟값을 전자 1개의 전하량(양자)으로 특정지을 수 있다. 자연에서 전하량은 이같이 양자화되어 있기 때문에 전자 1.5개에 해당하는 1.5×e와 같은 전하량은 볼 수 없다.

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원소(元素, element)는 원자번호에 의해 구별되는 한 종류만의 원자(原子)로 만들어진 물질 및 그 홑원소 물질의 구성요소를 말한다. 간단히 말해 어떤 입자의 수를 셀 때의 단위가 원자이고, 입자의 종류를 말할 때는 원소라고 하는 것이다.

원소의 개수는 존재 가능한 원자의 종류수와 같다. 

2024년 현재까지 공인된 원소의 개수는 118개다.[2] 

자연적으로 존재하는 92개의 원소들은 20세기 중에 모두 발견되었고,

현재에도 전 세계의 고에너지 물리 연구시설에서 새로운 원소를 만들기 위한 실험이 계속 진행 중이다.

2. 생성 과정[편집]

  자세한 내용은 핵합성 문서

를

 참고하십시오.

새로운 원소가 탄생하려면 원래 원자의 원자핵을 다른 원자의 원자핵과 서로 핵력이 작용하는 거리까지 접근시켜야 하는데, 그 거리 전까지의 원자핵과 원자핵은 서로 반발[3]하므로 반발력을 뛰어넘는 1000만℃의 고온이 필요하다. 우주에서 1000만℃가 넘는 곳은 크게 다음의 5가지가 있다.

• 빅뱅 핵합성: 빅뱅 폭발 후 0.000006초 후 전자 안정화·중성자 생성과 함께 수소의 원자핵(양성자)이 생성되고, 1초 후 강한 핵력으로 인해 헬륨의 원자핵과 극소량의 리튬과 베릴륨의 원자핵도 생성되었다. 10만년 후 우주의 온도는 약 3,000 K까지 내려가서 전자가 원자핵과 결합하여 원자가 완성됐다.

• 항성 핵합성: 빅뱅 10억년 후 항성이 탄생하였고, 항성에서의 핵융합으로 인해 철까지의 원소가 차곡차곡 생성된다. 중원소 함량이나 별의 질량에 따라 생성되는 한계가 있는데, 이는 항성 문서의 적색 초거성 문단 참조. 철보다 무거워지면 생성되는 에너지보다 오히려 융합하는데 필요하는 에너지가 더 높아져서 철 이후의 원자핵은 이 과정으로는 만들어지지 않는다...지만 적색 거성에서 철 원자핵이 중성자를 포획하고 β- 붕괴를 하면서 느린 속도로 비스무트까지 만들어지기도 한다는 모양이다. 아무튼 항성이 생을 마치면서 생성된 원소들이 우주로 흩뿌려지며 성운을 생성한다.

• 초신성 폭발 핵합성: 철 이후 원소들은 거의 다 이 방식이다. 초신성 폭발에서는 양성자가 붕괴하여 중성자가 만들어지며 나오는 엄청난 에너지로 무거운 원자핵이 생성된다. 이 때의 핵융합은 주로 산소와 규소의 연소 과정에서 일어나는데, 니켈까지의 여러 원소들이 만들어져 초신성에서 방출된다. 니켈보다 무거운 원소들은 빠른 중성자 포획 후의 β붕괴나 빠른 양성자 포획으로 만들어진다. 초신성 폭발에서 만들어져 방출되는 무거운 원소들은 새로운 별을 만드는 재료가 되기도 한다. 납 이후의 원소들은 안정한 동위원소가 없고 방사성 붕괴를 하므로, 초신성 폭발로 생성되는 원소가 어디까지인지는 알 수 없고 흔히 92번 원소인 우라늄까지로 해석하기도 하지만, 자연에 존재하는 플루토늄 동위원소 244Pu도 초신성 폭발에서 r-과정으로 생성된 원시 원소인 것으로 여겨지고 있다고 한다. 시뮬레이션에 따르면 다름슈타튬보다 무거운 원소는 거의 생성되지 않는다고 하지만, 어쩌면 낮은 확률로 안정성의 섬에 있는 원소까지 합성될지도 모른다.[4]

• 우주선 핵합성: 리튬, 베릴륨, 붕소는 핵융합 과정에서 생성되는 양이 적을뿐더러 오히려 소모되는 원소이다. 따라서 이 원소들은 항성 핵합성 과정에서 만들어지기 어렵다. 그러나 우주에서 발생하는 고에너지 방사선인 우주선이 원자에 충돌하면 기존 원소의 핵이 분열되어[5] 항성 핵합성으로 만들어지기 어려운 가벼운 원소가 합성될 수 있다.

• 인공적 원소 합성: 인공 원소 참조. 참고

3. 특징[편집]

주변에서 볼 수 있는 여러 물체들은[6] 여러 원소들로 이루어져 있다. 이들의 성질을 반복되는 규칙에 따라 체계적으로 분류하여 나타낸 것이 주기율표이다.

104번 이후의 원소들은 실험실에서 생성되는 원소들로, 강력한 방사성을 가지고 있어서 눈깜짝할 새 생겨나고 반감기 때문에 붕괴해 버린다. 물론 안정성의 섬 이론에 따르면 중성자나 원자핵의 전자 수가 특정 숫자인 동위 원소의 경우에는 매직 넘버라는 현상으로 인해 반감기가 긴 것들로 추정되는 원소들이 있다. 그 중에서도 플레로븀-298, 운비닐륨-304, 운비헥슘-310, 운헥스쿼듐-482[7]가 이 섬 가운데에 위치하여 특히 더 안정할 것으로 보이지만, 이들을 합성하는 것은 오랜 난제이다. 충분히 안정한 동위 원소중 중성자를 충분히 공급할 동위 원소가 별로 없기 때문이다.(칼슘-48이 초중원소 원소 합성에 자주 사용되는 이유이다.)

이외에도 일부 원소들은 104번 이후여도 반감기가 긴 것도 있다. 예를 들어 러더포듐-265의 반감기는 약 13시간. 하지만 실험실에서 무거운 원소간의 인위적인 핵융합으로 생성되는 원자의 수는 거의 원자 한두 개 수준으로 생겨나므로 너무 작아서 실험은 제한적으로만 가능하며, 관찰은 아예 불가능하다. 반대로 104번 이전에도 매우 불안정한 원소가 존재한다. 현대 기술로는 수 초 이내에 원자 단위에서 화학적 또는 물리적 실험을 하는 것도 가능하므로 반감기가 너무 짧지 않은 플레로븀까지 성질이 연구될 수 있었다

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화학에서 주기와 족은 원소들의 성질을 분류하고 이해하는 데 중요한 개념입니다. 주기율표에서 각 원소는 그 위치에 따라 화학적 성질이 결정되며, 이는 주기와 족의 개념으로 나뉘어 설명됩니다. 주기와 족은 각각 원소의 전자 배열과 원소의 물리적, 화학적 성질에 큰 영향을 미치며, 이를 통해 원소들이 어떻게 상호작용하고 반응하는지 알 수 있습니다. 이번 글에서는 주기와 족이 무엇인지, 그리고 그 차이점과 중요성에 대해 알아보겠습니다.

1. 주기란? | 원소의 에너지 준위와 관련된 개념

주기는 주기율표에서 가로로 배열된 행을 의미합니다. 원소는 원자 번호 순서대로 나열되며, 같은 주기 내에 있는 원소들은 공통적으로 같은 수의 전자껍질(에너지 준위)을 가집니다. 예를 들어, 1주기에 속한 원소들은 첫 번째 전자껍질만을 가지고 있으며, 2주기 원소들은 두 번째 전자껍질을 가집니다. 주기의 번호는 원자의 전자껍질 수와 일치하며, 이는 원소의 크기와 에너지를 결정하는 중요한 요소입니다.

주기의 특징

• 전자껍질 수: 같은 주기의 원소들은 같은 전자껍질 수를 가집니다.

• 에너지 준위: 주기의 숫자가 높을수록 전자들이 존재하는 에너지 준위가 더 높습니다.

• 원소의 크기 변화: 주기 내에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 원자의 크기는 작아집니다. 이는 핵전하가 증가하면서 전자들이 더 강하게 끌려오기 때문입니다.

주기 내 원소 성질의 변화

주기율표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할수록 금속 성질은 약해지고, 비금속 성질은 강해집니다. 예를 들어, 3주기의 나트륨(Na)은 금속이지만, 같은 주기에 속한 염소(Cl)는 비금속입니다. 이는 주기 내에서 원자가 전자의 수가 증가하면서 화학적 성질이 변화하기 때문입니다.

주기	주요 원소 예시	전자껍질 수
1주기	수소(H), 헬륨(He)	1
2주기	리튬(Li), 탄소(C), 네온(Ne)	2
3주기	나트륨(Na), 염소(Cl), 아르곤(Ar)	3

2. 족이란? | 화학적 성질을 공유하는 원소들의 그룹

족은 주기율표에서 세로로 배열된 열을 의미하며, 같은 족에 속한 원소들은 비슷한 화학적 성질을 공유합니다. 이는 같은 족의 원소들이 원자가 전자 수가 같기 때문입니다. 원자가 전자는 원자의 가장 바깥쪽 전자껍질에 위치하며, 화학 반응에서 중요한 역할을 합니다. 족 번호는 원자가 전자 수와 직접적으로 연관되므로, 같은 족에 속한 원소들은 유사한 반응성을 보입니다.

족의 특징

• 원자가 전자 수: 같은 족에 속한 원소들은 같은 수의 원자가 전자를 가집니다. 예를 들어, 1족 원소는 모두 1개의 원자가 전자를 가지고 있습니다.

• 화학적 성질의 유사성: 같은 족의 원소들은 비슷한 화학적 성질을 가지며, 같은 방식으로 화합물을 형성하고 반응합니다.

• 반응성: 족 내에서 원자 크기가 클수록 반응성이 강해지거나 약해질 수 있습니다. 예를 들어, 1족 원소인 알칼리 금속들은 주기 아래로 갈수록 반응성이 증가합니다.

족의 예시

1족에는 알칼리 금속이 속하며, 매우 반응성이 높은 금속들로 이루어져 있습니다. 반면, 18족에는 비활성 기체들이 속하며, 화학적으로 매우 안정적입니다.

족	주요 원소 예시	원자가 전자 수
1족	리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)	1
2족	베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)	2
17족	플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br)	7
18족	헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)	8 (헬륨은 2개)

3. 주기와 족의 차이점

이제 주기와 족의 차이점을 표로 정리해 보겠습니다.

구분	주기	족
배열 방식	가로 행	세로 열
공통점	같은 전자껍질 수	같은 원자가 전자 수
원소 성질 변화	금속에서 비금속으로	위에서 아래로 비슷한 성질
대표적 성질 변화	원자 크기 감소, 비금속 성질 증가	족 아래로 갈수록 반응성 변화

주기와 족의 관계

주기와 족은 원소의 성질을 결정하는 데 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 주기는 원자의 크기와 에너지 준위에 영향을 미치며, 족은 원소의 화학적 반응성과 결합 형태를 결정합니다. 이러한 관계는 주기율표에서 원소를 분류하고 예측하는 데 중요한 도구가 됩니다.

4. 주기와 족이 우리 생활에 미치는 영향

주기와 족을 이해하면 다양한 산업 분야에서 원소들의 특성과 반응을 예측할 수 있습니다. 예를 들어, 반도체 산업에서는 실리콘(Si)이 14족에 속하는 원소로, 금속과 비금속의 중간 성질을 가지고 있어 반도체로서 적합합니다. 또한, 의료 분야에서는 17족에 속하는 염소(Cl)와 같은 할로젠 원소들이 살균제로 널리 사용됩니다. 이처럼 주기와 족의 개념은 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.

5. 주기율표의 역사적 배경

주기율표는 19세기 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프가 원소들을 체계적으로 분류하면서 발전하게 되었습니다. 멘델레예프는 원소들이 주기적인 성질을 가지며, 주기율표를 통해 미발견 원소의 성질까지 예측할 수 있다고 주장했습니다. 그의 예측은 후에 실제로 입증되었으며, 이는 주기와 족의 중요성을 증명하는 중요한 사건이었습니다.

결론

주기와 족은 화학에서 원소를 이해하는 핵심 개념으로, 이를 통해 우리는 원소들의 성질과 반응성을 체계적으로 분석할 수 있습니다. 주기는 원자의 전자껍질 수에 따라 결정되며, 족은 원자가 전자의 수에 따라 원소들을 분류합니다. 이 두 개념을 바탕으로 원소의 성질을 예측하고 응용할 수 있으며, 이를 통해 다양한 산업에서 활용할 수 있는 기초 지식을 제공합니다.

[출처] 주기와 족의 차이 | 주기율표를 이해하는 첫걸음|작성자 INFO