상대론적 효과
1. 개요
원소가 무거워질수록 양성자가 많아지며, 전자를 잡아당기는 인력 또한 증가한다. 이러한 상황에서 전자는 궤도를 유지하기 위해 공전 속도를 올리게 되어 점점 광속에 가까워진다. 이렇게 되면 상대성 이론에 의한 효과로 인해 내부 궤도를 도는 전자의 질량이 늘어나게 된다. 무거워진 전자는 원자핵에 접근한 상태로 공전하여 원자핵의 전하를 더 많이 가리게 되며, 결국 최외각 전자의 궤도마저 변형시켜 물리적 또는 화학적 성질이 주기율표상의 위치로 추측할 수 있는 것과는 달라진다. 특히 6주기 원소 이상의 원소에서 상대론적 효과가 영향을 미치기 시작한다.
2. 영향받는 원소
- 세슘 - 상대론적 효과에 의해 다른 알칼리 금속과는 달리 약간 금빛을 띤다.
- 금 - 은 아래에 위치하므로 이 원소는 은백색이여야 하겠으나, 상대론적 효과로 인해 자외선 대신 파란 가시광선을 흡수할 수 있게 되어 파란색의 보색인 노란색을 띠게 된다.
- 수은 - 아연과 카드뮴 아래에 위치하므로 이 원소는 상온에서 고체[1]여야 하겠으나, 상대론적 효과로 인해 녹는점과 끓는점이 위의 원소보다 낮아지게 되었다.
- 납 - 화학적 성질이 유사한 주석으로도 납 축전지와 같은 배터리를 만들 수 있을 것으로 추측할 수 있으나, 납 축전지가 내는 전압의 상당 부분은 상대론적 효과에 의한 것으로, 주석과 산을 이용한 축전지를 만들기는 어렵다. 또한 납과 주석의 결정 모양이 다른 것도 상대론적 효과에 의한 것이라고 한다.
- 프랑슘 - 주기율표상에서 세슘의 아래에 있음에도 불구하고 세슘보다 약한 반응성을 보인다.
3. 영향을 받을 것으로 예측되는 원소
7주기 후반 이후 원소에서는 상대론적 효과가 더욱 빈번하게 나타날 것으로 예상되고 있다. 참고로 174번 원소부터는 전자의 공전 속도가 광속을 넘어야만 하지만 이는 불가능하므로 정상적인 원소가 되기 어려울 것이라고 한다.[2]
- 더브늄 - 탄탈럼 아래에 있지만 이보다는 플루토늄에 가까운 성질을 가질 것으로 예상된다.
- 코페르니슘 - 금속 원소이지만 비활성 기체와 유사한 성질을 가질 것으로 예상된다.
- 니호늄 - 준금속 라인 밖에 위치한 원소임에도 불구하고 준금속일 가능성이 있다.
- 플레로븀 - 플레로븀 원자를 금 표면에 흡착시키는 실험 결과 금속 결합이 매우 약했으며, 이에 따르면 -60℃의 끓는점을 가진 기체 금속일 것이라고 한다. 또한 준금속 라인 밖에 위치하는 원소이지만 준금속일 가능성도 있다.
- 테네신
- 오가네손 - 일반적인 비활성 기체가 아닌 금속성 고체인 준금속 또는 금속일 것으로 예측되고 있다. 이 원소의 전자의 공전 속도는 무려 광속의 86%가 될 것으로 보인다.
- 우누넨늄, 운비닐륨 - 각각 알칼리 금속, 알칼리 토금속에 해당하지만 위에 있는 원소들보다 오히려 낮은 반응성을 가질 것으로 예상되고 있다.