원자
1. 原子
Atom[1]
1.1. 개요
화학 원소로서의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소입자.
평범한 DSLR을 장기 노출을 통해 찍은 스트론튬 원자 1개 출처ngc
중심에는 원자핵이 있고 그 주변에는 전자들로 둘러싸여져 있다.
IBM에서 원자로 만든(!) 원자영화이다.
2020년 2월에 찍은 인류 역사상 최초로 원자의 결합, 분리 촬영 성공 영상
1.2. 어원
기원전 450년경에 데모크리토스가 그리스어의 부정을 뜻하는 á와 자름을 뜻하는 tomos를 합성하여, átomos라는 자를 수 없음을 뜻하는 단어를 만들어냈다. 후에 데모크리토스의 제자들의 가보가 끊겨 중세에는 잊힌 이론이었으나 근대에 재조명받아 다시 주류 학설로 등장하게 된다.
근대에 이르러서야, 존 돌턴이 원자론을 재발견하고 atom이라는 단어를 정립하게 되었다. 한자로는 근본이 되는 물질이라 하여 근본 原을 사용, 原子로 확립되었다.
물론 현대에 이르러서는 원자도 쪼개진다는 걸 밝혀냈기 때문에, 전류의 방향이 실제로는 반대인 것처럼, 현재에 와서는 어원의 뜻과 실제 정의가 달라졌다.
1.3. 구조
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널리 알려진 구조. 양자역학으로 밝혀진 실제 모습과는 다르지만 직관적이기에 여전히 쓰고 있다.[2]
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양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있다.
중심에는 원자핵을 이루는 핵자인 양성자, 중성자가 모여있고, 전자는 핵 주변에 분포하며, 이 전자의 분포를 나타내는 전자 구름이 위치해있다.
이러한 구조를 쉽게 이해하기 위해서 축구장을 원자에 비유해서 자주 예로 드는데, 만약 원자가 축구장이라면, 원자핵은 축구장 중앙에 놓인 구슬과 같고, 전자는 경기장에서 주로 축구공 근처에 떠돌아다니는 먼지 정도에 불과하다.[3] 원자는 텅 비어있다고 생각해도 무방하다. 실제로 자신이 원자라는 축구장에 들어가있다면 안에는 희미하게 보이는 구슬을 제외하고는 아무것도 없다고 생각할 수밖에 없다.
물론 정확하게 원자와 원자핵의 크기의 비율이 정확히 축구장과 구슬이라는 의미가 아니며 원자마다 다르다.
원자가 지구 크기라면 원자핵은 남대문 정도 된다고도 한다. 수치상으로는, 원자 반지름은 $$10^{-10}$$ m, 핵자의 수를 $$A$$라 할 때 원자핵 반지름은 $$1.07 \sqrt[3]{A} \times 10^{-15}$$ m이다. 양성자 하나로 이루어진 수소 원자라면, 원자와 원자핵의 크기 비율은 약 '100,000 : 1' 이다. 그리고 '전자'는 현재 기술로는 크기를 측정할 수가 없다.
질량은, 핵자는 약 $$1.67 \times 10^{-27}$$kg이고 전자는 $$9.11 \times 10^{-31}$$kg으로 핵자가 전자에 비해 대략 1800배나 무겁다. 사실상 원자의 질량은 원자핵이 다 차지하고 있는 셈.
기본적으로 원자는 전하를 가지지 않는다. 원자핵이 양전하를 가지고, 그만큼의 음전하를 가진 전자가 합쳐져 있기 때문. 전자가 적거나 많으면 양전하나 음전하를 띠기도 한다.
1.3.1. 원자핵
핵자인 양성자와 중성자가 이루며, 핵자들의 사이에 작용하는 핵력에 의해 양성자와 중성자가 결합되어 원자핵을 형성한다.
주기율표의 원자번호는 이 원자핵의 양성자 개수를 뜻한다. 즉 원자번호 1인 수소는 양성자가 하나, 원자번호 92인 우라늄은 92개의 양성자를 가지고 있다. 여기서 중성자를 빼놓으면 섭섭한데, 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르면 동위원소가 된다. 원자번호 0인 원소가 없듯 중성자가 없는 원자는 존재하나 양성자가 없는 원자는 일반적으로 존재하지 않는다.[4]
양성자의 수에 따라 어떤 원소인지가 결정나므로, 즉 원자가 가지고 있는 양성자의 수를 바꿔버리면 원소를 다른 원소로 인위적으로 바꾸는 연금술도 가능하다고 할 수 있겠다. 양성자를 비롯한 핵자의 수를 바꾸는 대표적인 기술이 핵융합, 핵분열.
자세한 사항은 원자핵 항목을 참조하자.
1.3.2. 전자
흔히 전자가 원자핵 주변을 '''도는 것'''으로 생각하는 사람이 많으나, 정확히 말하면 전자는 그냥 원자핵 주변에 '''존재'''해 있는 것이다. 그것도 위치가 정해진 것도 아니며, 전자는 어디에든 확률적으로 존재할 수 있다. 극단적으로 말하면 지구에 있는 수소원자의 전자가 화성에 있을 수도 있다. 다만 핵에서 가까울수록 그 위치에 대해서 전자가 존재할 확률이 올라가고 반대로 핵에서 멀어질수록 존재할 확률이 낮아진다.[5]그리고 이 전자의 분포는 띠 형태로 나타나게 되는데 이 형태를 전자구름이라고 부른다.
원자핵 주변을 도는 모델이 실패했던 이유는 해당 모델이 매우 불안정하기 때문이다. 전자와 전자사이에 작용하는 척력까지 고려한다면 원자는 외부의 약한 충격에도 붕괴되어야 한다. 만일 우리가 고전역학적인 모델을 채용한다면 전자가 원운동을 하면 싱크로트론복사로 빛을 내며 에너지를 잃어버린다. 원자 구조로 인해 순식간에 빛으로 와해되는 것.
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보어의 원자모델에서 일어날 수 있는 일. 당연하지만 이런 일은 일어나지 않는다. 참고로 이 모형에서 전자가 원자핵에 포획되지 않기 위해서는 최소 초속 1000km대 이상으로 움직여야 한다.
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전자구름 모델. 오비탈 모델이라고도 하며, 색이 입혀진 부분은 매우 높은 확률로 전자를 찾을 수 있는 지역을 의미한다. 그림에서의 색은 파동함수에서의 위상을 나타낸다. 색이 없는 부분에서도 발견할 수는 있으나, 그 확률은 매우 낮다.[6]
1.4. 원자의 크기
원자의 크기는 기준을 어떻게 두느냐에 따라 크게 달라진다. 대표적인 기준들로는 반데르발스 반지름, 공유반지름, 보어반지름 등이 있다.
원자 반지름 문서에 자세히 설명되어 있다.
1.5. 원자 모형
원자 모형의 변천 과정과 현대적 원자 모형은 오비탈 문서 참조.
1.6. 관련 문서
1.7. 외부 링크
2. 元子
동아시아에서 아직 태자/세자에 책봉되지 않은 군주의 맏아들을 가리키는 호칭. 적장자가 없을 경우에는 서장자를 원자로 부르기도 하며, 태어난 후부터 왕세자 책봉식 이전까지 이 호칭으로 불린다. 보통 예비 왕세자 정도의 지위이므로 왕자보다 한 단계 급이 높은 칭호이다. 왕비에게서 난 적장자라도 이미 서자가 왕세자로 있을 경우에는 원자라고 불리지 않는다. 광해군과 영창대군이 이 케이스.
임금의 적장자이므로 개망나니 짓만 터뜨리지 않는다면 세자에 책봉된 후 왕이 되는 정석적인 테크를 탈 수 있다. 다만 조선에선 유달리 이 테크를 타고 즉위한 왕이 드물었다. 대한제국 포함 27명의 임금 중 기껏해야 문종, 단종, 연산군, 인종, 현종, 숙종, 경종, 순조[7], 순종 등 단 9명만이 여기에 들어간다.
양녕대군, 폐세자 이황, 순회세자, 폐세자 이지, 소현세자, 사도세자, 문효세자, 효명세자는 원자에서 세자로 책봉은 되었지만 왕위에 등극하지는 못했고, 인성대군은 원자이기는 했지만 조졸했고, 제안대군은 세자가 되기도 전에 아버지가 승하하면서 나이가 너무 어리다는 이유로 왕위가 사촌형에게 넘어갔다.
효장세자는 서장자였던 바람에 원자가 되지 못하고 군호까지 받았으나 이후 바로 세자로 책봉되었다.
황제의 맏아들의 경우에는 원자에서 책봉 후 '황태자'로 불리고, 세자의 적장자는 원손으로 부른다.
[1] 한국어 발음으로는 아톰, 미국 발음으론 아덤[2] 정확히 말하면, 과학 이론은 추상적 속성을 가지고 있기 때문에 구체적 사물이나 현상을 보여줄 수 없고, 직접 관련된 가시적 용어로도 나타낼 수 없기 때문에 단지 모형이나 비유를 통하여 표현하게 된다. 따라서 모형은 '''어떤 원리와 이론의 두드러진 특징을 개념화하도록 돕기 위한 것일 뿐''' 그 지적 형상은 실존하는 것이 아니다. 상대성 이론이 있지만 여전히 뉴턴 역학을 쓰는 것과 비슷하다. 철학적 세계관 상으로는 상대론이 뉴턴역학을 '무너뜨린' 면이 없지 않지만 수학적 모형으로만 보면 상대론은 뉴턴보다 조금 '덜 근사된' 것이므로, (광속보다 아주 느린 등의) 특정 조건에서 뉴턴역학과 얼마든지 양립가능하다.[3] 먼지의 크기라서 이해가 안 가면 스케일을 키워보자. 원자를 지구라고 하면 원자핵은 축구장만 하고, 전자는 야구공만 하다.[4] 양성자가 없는 원자는 '별난 원자'라고 해서 특별하게 취급한다. 대표적으로 전자와 양전자만으로 이루어진 포지트로늄.[5] 무엇을 이야기하느냐에 따라 다르다. 하나의 고유상태 내에서를 얘기하는 거라면 멀어질수록 존재할 확률이 낮아진다는 본문의 진술이 해석상의 문제가 없는 표준해석이다.[6] 대체로 확률이 90%인 곳을 표면 경계로 하여 모델을 만드므로, 색칠해진 부분을 제외한 '''나머지 우주 전체'''를 다 합친 공간에 존재할 확률이 10%가 된다.[7] 경종과 순조는 서장자인데도 원자로 칭해진 이례적인 케이스이다.