과학을 과학하다

원자구성입자

원자라는 용어는 원래 작은 입자로 절단할 수 없는 입자를 의미하지만, 현대 과학 응용에서 원자는 다양한 아원자 입자로 구성됩니다. 원자의 구성 입자는 전자, 양성자 및 중성자입니다.

지금까지 전자는 9.11 × 10~31kg 입자 중 가장 작으며 기존 기술로는 음전하와 크기를 측정할 수 없습니다. 중성미자의 질량이 발견되기 전에는 정체된 질량을 가진 가장 가벼운 입자였으며 정상적인 조건에서 전자는 반대 전하의 인력에 의해 정확하게 하전 된 핵에 결합하였습니다. 원자의 전자 수가 원자 수보다 크거나 적으면 원자 전체가 각각 음전하 또는 양전하를 띠고 하전 된 원자를 이온이라고 합니다. 전자는 19세기 말부터 널리 알려졌으며 대부분 J.J입니다.

Yoko의 정전기는 1.6726 × 10~27kg이고 질량은 전자의 1836배입니다. 원자의 양성자의 수를 원자 번호라고 합니다. Ernest Rutherford (1919)는 알파 입자에 의해 충격을 받은 질소가 수소 핵이라고 생각되는 것을 방출한다고 관찰했습니다. 1920 년에 그는 수소 핵이 원자의 또 다른 입자임을 깨달았고 그것을 양성자라고 명명했습니다.

중성자는 전하가 없으며 자유 질량은 전자의 1839배, 즉 1.6749 × 10-27 킬로그램입니다. 중성자는 이 세 가지 구성 입자 중 가장 무겁지만, 핵 결합 에너지를 통해 질량을 줄일 수 있습니다. 중성자와 양성자의 동등한 크기 (집합적으로 핵 자라고 함)는 약 2.5 × 10~15m이지만 이러한 입자의 "표면"은 명확하게 정의되지 않았습니다. 1932 년 영국의 물리학자 제임스 채드윅은 중성자를 발견했습니다.

물리 표준 모델에서 전자는 내부 구조가 없는 기본 입자이고 양성자와 중성자는 쿼크라고 하는 기본 입자로 구성된 복잡한 입자입니다. 원자에는 두 가지 유형의 쿼크가 있으며, 각각은 전하가 다릅니다. Yoko는 두 개의 상단 부분으로 구성됩니다. 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크 2개로 구성됩니다. 이 차이는 두 입자의 질량과 전하의 차이를 설명합니다.

글루온은 글루온이 매개하는 강한 상호 작용 (또는 강한 힘)을 통해 쿼크를 함께 유지합니다. 양성자와 중성자는 다양한 범위 특성이 있는 강력한 힘의 잔재인 핵 에너지에 의해 핵에 보유됩니다. 글루온은 물리적 힘을 매개하는 기본 입자이며 표준 보성 가족 중 하나입니다.

슈뢰딩거 모델

Stan Gerlach가 1922 년에 수행 한 실험은 원자 특성의 양자 특성에 대한 또 다른 증거를 제공했습니다. 은 원자 빔이 특수 자기장을 통과할 때 빔은 원자의 각운동량 및 스핀 방향과의 상관관계로 분할됩니다. 회전 방향은 처음에는 무작위이므로 빔이 무작위 방향으로 편향될 것으로 예상됩니다. 대신 빔은 자기장의 상부 또는 하부 원자 스핀에 해당하는 두 가지 방향성 구성 요소로 나뉩니다.

1925 년 Werner Heisenberg는 양자 역학 (행렬 역학)의 일관된 수학적 공식을 최초로 발표했습니다. 1 년 전, Louis de Blogley는 모든 입자가 파도처럼 행동한다는 버클리 가설을 제시했습니다. 1926 년 Irwin Schrödinger (Irwin Schrödinger)는이 아이디어를 사용하여 원자 (파동 역학)의 수학적 모델 인 Schrödinger 방정식을 개발하여 전자를 점퍼 대신 3차원 파형으로 설명했습니다.

파형을 사용하여 입자를 설명하면 특정 지점에서의 위치와 운동량에 대한 수학적으로 정확한 값을 얻을 수 없습니다. 이는 1927 년 Werner Heisenberg가 제안한 불확실성 원리입니다. 이 개념에서 위치를 측정 할 때 주어진 정확도에 대해 운동량 추정 범위만 얻을 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 모델은 수소보다 큰 원자의 구조와 스펙트럼과 같이 이전 모델에서는 불가능했던 원자 행동의 관찰을 설명할 수 있습니다. 이런 식으로 특정 전자가 가장 많이 관찰될 가능성이 높은 핵 주변의 원자 궤도 밴드를 설명하는 대신 행성의 원자 모델이 폐기되었습니다.

중성자를 발견

질량 분석기의 개발로 원자의 질량을보다 정확하게 측정할 수 있습니다. 이 장치는 자석을 사용하여 이온 빔을 선회하며 굽힘의 양은 전하에 대한 원자 질량의 비율에 의해 결정됩니다. 화학자 Francis William Aston은이 장치를 사용하여 동위 원소의 질량이 다르다는 것을 나타냅니다. 이 동위 원소의 원자 질량은 정수 규칙이라고 하는 정수의 수에 따라 다릅니다. 이 서로 다른 동위 원소에 대한 설명은 1932 년 물리학 자 제임스 채드윅 (James Chadwick)이 양성자와 유사한 질량을 가진 하전 입자 인 중성자의 발견을 기다리고 있습니다. 그 이후로 동위 원소는 같은 수의 양성자를 가지고 있지만 핵에 있는 같은 수의 중성자를 가진 또 다른 원소로 묘사됩니다.

핵분열, 고에너지 물리학, 응축물

1938 년 러더 포드 대학의 독일 화학자 오토 한 (Otto Han)은 초 우라늄 원소를 얻기 위해 우라늄 원자에 대한 중성자를 연구했습니다. 반대로 그의 화학 실험은 바륨이 제품이라는 것을 보여주었습니다. 1 년 후, Rise Meitner와 조카 Otto Prissey는 Han의 결과가 최초의 실험적 핵분열임을 확인했습니다. 1944 년 한국은 노벨 화학상을 수상했습니다. Han Li의 노력에도 불구하고 Meitner와 프랑스 인의 공헌은 인정되지 않았습니다.

1950 년대에 개선 된 입자 가속기 및 입자 탐지기의 개발로 과학자들은 고 에너지 이동 원자의 효과를 연구할 수 있었습니다. 중성자와 양성자는 원래 하드론 또는 쿼크로 구성된 작은 입자 복합체였습니다. 원자핵의 특성과 상호 작용을 제어하는 ​​힘을 설명하기 위해 기본 입자 물리학의 표준 모델이 개발되었습니다.

보어 모델

1913년 물리학자인 Niels Bohr (Niels Bohr)는 원자의 전자가 핵을 공전한다고 가정이 한 모델을 제안했습니다. 그러나 이것은 제한된 궤도에서만 가능하며 광자의 흡수를 통해서만 가능합니다. 또는 복사에 해당하는 에너지의 불연속적인 변화 가히 트랙 사이를 이동할 수 있습니다. 이것은 극복할 수 있는 모델입니다. 이 정량화는 전자 궤도가 안정적인 이유 (일반적으로 원운동을 포함한 가속 과정의 전하가 전자 복사로 방출되는 운동 에너지로 손실됨, 싱크로트론 복사 참조) 및 요소가 이산 스펙트럼을 흡수하고 방출하는 이유를 설명합니다.

같은 해 하반기에 Henry Mosley는 Nils Bohr의 이론을 뒷받침하는 다른 실험적 증거를 제공했습니다. 이 결과는 핵이 주기율표의 원자 번호와 같은 규칙적인 핵전하를 포함하고 있음을 보여주는 Ernest Rutherford 및 Antonia Pended-Blake의 모델을 개선했습니다. 이러한 실험을 하기 전에 원자 번호가 물리량인지 실험량인지는 알 수 없다. 원자력 요금과 마찬가지로 오늘날에도 여전히 받아들여지는 원자 모델입니다.

1916 년에 Gilbert Newton Lewis (Gilbert Newton Lewis)는 원자 사이의 화학 결합을 구성 전자 사이의 상호 작용으로 설명했습니다. 우리 모두 알다시피 원소의 화학적 성질은 주기율과 거의 같아서 1919년 미국의 화학자 Irving Langmuir는 원자의 전자가 어떤 형태로든 결합하거나 뭉쳐 있으면 설명할 수 있다고 제안했습니다. 조금. 전자 그룹은 핵 주변의 일련의 전자껍질을 차지한다고 믿어집니다.

원자의 보어 모델은 원자의 전체 구조, 원자 사이의 결합 방법 및 수소 스펙트럼을 예측할 수 있는 원자의 최초의 완전한 물리적 모델입니다. 보어의 모델은 완벽하지 않았고 즉시 더 정확한 슈뢰딩거 모델 (아래 참조)로 대체되었지만 이 물질이 원자로 구성되어 있다는 의심을 없애기에 충분했습니다. 화학자들에게 원자의 개념은 유용한 발견 도구이지만 물리학자들은 아직 원자의 완전한 물리적 모델을 개발하지 않았기 때문에 물질이 실제로 원자로 구성되어 있는지 의문을 제기합니다.

원자란?

원자는 화학 원소를 형성하는 일반 물질의 가장 작은 단위입니다. 액체, 가스 및 플라스마는 모두 중성 또는 이온화된 원자로 구성됩니다. 원자는 보통 지름이 약 100 피코그램 정도로 매우 작습니다. 크기가 너무 작아서 고전 물리학 (예 : 테니스)을 사용하여 양자 효과 때문인 동작을 정확하게 예측할 수 없습니다.

각 원자는 핵과 그와 결합된 하나 이상의 전자로 구성됩니다. 핵은 하나 이상의 양성자와 많은 중성자로 구성됩니다. 가장 일반적인 유형의 수소에만 중성자가 없습니다. 원자 질량의 99.94% 이상이 핵입니다. 양성자는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠며 중성자는 그렇지 않습니다. 양성자와 전자의 수가 같으면 원자는 전기적으로 중성입니다. 원자가 양성자보다 더 많거나 적은 전자를 가질 때 원자 전체는 음전하 또는 양전하를 띠며 이러한 원자를 이온이라고 합니다.

원자의 전자는 전자기력에 의해 핵의 양성자에 끌립니다. 핵의 양성자와 중성자는 핵에너지에 끌립니다. 이 힘은 일반적으로 서로 정전기로 하전 된 양성자를 밀어내는 전자기력보다 더 강합니다. 어떤 경우에는 반발 전자기력이 원자력보다 강할 수 있습니다. 이 경우 핵이 분리되어 다른 요소가 남습니다. 이것은 핵붕괴입니다.

핵의 양성자의 수는 원자가 속한 화학 원소를 정의하는 원자 번호입니다. 예를 들어 29개의 양성자를 포함하는 원자는 모두 구리로 만들어집니다. 중성자의 수는 원소의 동위 원소를 정의합니다. 원자는 화학 결합을 통해 하나 이상의 다른 원자와 결합하여 분자 또는 결정과 같은 화합물을 형성할 수 있습니다. 결합 및 해리하는 원자의 능력은 자연에서 관찰되는 대부분의 물리적 변화를 담당합니다. 화학은 변화에 관한 연구입니다.

파동입자의 불확실성과 이중성

광자는 양자 역학의 법칙을 따르기 때문에 광자의 거동은 파형과 입자 모양의 양면을 가지게 되며, 측정기에 의해 광자가 검출되면 단일 입자 단위로 등록됩니다. 그러나 광자를 검출할 확률은 파동을 나타내는 방정식으로 계산됩니다. 이러한 측면의 조합은 파동 및 입자 이중성 파-입자 이중성이라고 부르는 것입니다. 예를 들어, 검출된 광자의 확률 분포는 회절이나 간섭과 같은 파동 현상을 명확하게 보여줄 가능성이 높습니다. 이중 슬리 실험을 통과한 광자는 Maxwell의 방정식에 의해 결정된 간섭 패턴에 의해 주어진 확률 분포와 함께 화면에 착륙했습니다. 그러나 실험 결과는 광자가 전파되는 동안 전자 방사선의 짧은 펄스 대신 확산하지 않거나 빔 스플리터를 만나서 방해받지 않는다는 것을 보여줍니다. 반대로 광자는 핵의 파장 (지름 10~15m) 또는 점 전자보다 훨씬 작은 파장을 가진 시스템을 포함하여 작은 시스템에 의해 전체적으로 흡수되거나 방출되기 때문에 점 입자처럼 보입니다.

많은 프라이머가 광자를 처리하기 위해 비 상대론적 양자 역학 수학적 방법을 사용하지만, 광자는 본질에서 상대론 적이므로 다소 서투르고 단순합니다. 광자의 정적 질량이 0이기 때문에 광자에 대해 정의된 파동 함수는 비 상대론적 양자 역학에서 파동 함수에 익숙한 모든 특성이 있을 수 없습니다. 이러한 어려움을 피하고자 물리학자들은 전자 상태의 여기를 정량화하는 두 번째 광자 양자화 이론인 양자 전기 역학을 채택했습니다.

또 다른 어려움은 전자와 고 에너지 광자와 관련된 사고 실험을 분석할 때 하이젠 베르크 가히 개념을 도입했기 때문에 불확실성 원리와 유사한 올바른 방법을 찾는 것입니다. 그러나 Heisenberg는 이러한 측정에서 "불황도"의 의미에 대한 정확한 수학적 정의를 제공하지 않았습니다. Lennard, Paulie 및 Weir는 위치 모멘트 불확실성 원리에 대한 정확한 수학적 설명을 제공했습니다. 불확실성 원리는 실험자가 입자의 위치 및 운동량과 같은 두 가지 "정규 공액"양 중 하나를 측정할 수 있는 상황에 적용됩니다. 불확실성 원칙에 따르면 입자가 어떻게 준비되든 두 가지 대체 측정 중 어느 것도 정확한 예측을 할 수 없습니다. 즉, 위치 측정이 더 확실해지면 운동량 측정이 작아지고 그 반대도 마찬가지입니다. 양자 역학은 일관된 상태를 허용하여 전반적인 불확실성을 최소화합니다. 양자 광학은 전자기장 상태와 일관된 상태를 사용합니다. 진폭 측정과 전자기파 위상 사이에는 절충점이 있으며 이는 위치 모멘트의 불확실성 간의 관계를 연상시킵니다.