뮤온 (muon)
소립자의 일종. 입자라고도 하며, 양・음의 입자 가 있다. 1934년 일본의 유카와 히데키[湯川秀樹(탕천수수)]가 핵력을 매개하는 입자로서 중간자의 존재를 예언한 후, 1937년 우주선(宇宙線) 중에서 그 입자가 발견되어 중간자(meson)라 하였다. 그러나 뮤온은 원자핵과의 상호작용이 약하고, 유카와 이론의 중간자가 아닌 것이 판명되어(핵력을 매개하는 것은 47년에 발견된 중간자이다), 뮤온은 중간자가 아닌 전자 등과 같은 경입자(렙톤)로 분류된다. 그러나 현재에도 중간자라 부르는 경우가 있다. 뮤온 는 각각 중간자의 붕괴로 생성되고, 그 자신은 평균수명 2.2×10초로서 붕괴하여 를 방출한다(→＋＋→＋＋；는 뉴트리노, 즉 중성미자). 뮤온은 정지질량이 0.1134amu(전자의 약 207배)이고, 스핀은 1/2, 자기모멘트는 ±8.891(核磁子)이며 질량을 제외하고는 전자와 거의 비슷한 성질을 가진다.
전자 (電子 electron)
소립자(素粒子)의 일종. 질량은 양성자(陽性子:수소의 원자핵)의 약 1/1800이며, 양성자의 전하(電荷)와 크기가 같고 부호가 반대인 음전하를 가지고 있으며, 물질을 구성하는 원자의 중요한 구성요소로 되어 있다. 중성원자의 중심에는 원자 질량의 대부분을 차지하는 매우 작은 원자핵이 있고, 그 둘레를 핵의 양전하를 소멸시킬 수 있는, 원자번호와 같은 수의 전자가 운동하고 있다. 이와 같은 원자의 모양이 확립된 것은 E.N. 러너퍼드에 의한 원자핵의 발견과 그 뒤 계속된 1910〜1920년대에 걸친 양자역학의 성립에 의한 것이다. 그러나 이미 알고 있는 입자와는 다른 새로운 실체로서 전자의 존재가 확립된 것은 19세기 말이며, 이것은 전자가 관여하는 여러 가지 현상에 대한 연구를 통해 이루어졌다.
어원
적당한 두 물체를 서로 마찰시키면 그것들이 대전하는 현상은 옛 기록에도 있다. 일렉트론이라는 말은 그리스어원으로 호박(琥珀)을 의미한다. 호박이 마찰에 의해 전기를 띤다는 데서 마찰에 의해 생기는 것, 즉 전기를 의미하게 되었다. 이와 같이 대전현상은 서로 닿는 두 물체 사이에서 전하의 분포가 바뀌는, 즉 전자의 재배치가 이루어지기 때문에 생기는데 마찰은 물질 속에서 움직이기 쉽도록 전자를 재배치시키는 단순한 수단에 지나지 않는다.
전자의 발견
처음에는 음극선의 입자로서 발견되었으나 뒤에 모든 물질의 구성요소임이 인정되었다. 전자의 존재는 진공방전에서 음극선의 연구를 축으로 하여 확립되었다. 1836년에 M. 패러데이가 진공방전의 연구를 시작하였고, 그 뒤 19세기 중엽 독일의 물리・수학자 J. 플뤼커는 자신의 고안에 따라 H. 가이슬러가 만든 방전관(放電管)으로 본격적인 연구를 시작하였다. 플뤼커는 음극에 가까운 유리벽에서 형광이 방출하는 것을 발견하고 그것을 일종의 방사선이 음극에서 나오기 때문에 생기는 것으로 생각하여, 그 방사선이 자석의 작용으로 휘어진다는 것도 알게 되었다. 이 음극선의 본성을 둘러싸고 많은 연구를 하여 19세기 말 J.J. 톰슨과 H.A. 로렌츠에 의해 전자란 아직 알려지지 않는 입자의 흐름이라는 것이 확정되었다. 1894년 톰슨은 회전경(回轉鏡)을 사용하여 음극선의 속도를 정하고, 그것은 전자기파(빛)가 전달되는 속도의 1/100 이하인 것을 제시하여, 음극선이 에테르(전자기파의 매체)의 진동이라는 설을 부정하였다. 다음 해에 J.B. 페랭은 음극선을 금속상자에 넣어 상자가 음으로 대전하는 것을 발견하였다. 톰슨은 음극선이 음전하를 지닌 입자로 이루어진다고 가정하여 입자의 비전하(比電荷) /(여기서 는 입자의 전하절대값, 은 질량)를 측정한 결과, 수소이온의 비전하의 약 1000배라는 큰 값을 얻게 되었다. 그 뒤 전하 자체를 측정하여 수소이온의 전하와 거의 같은 크기인 것을 발견하였다. 이리하여 음극선의 입자는 원자보다 상당히 작은 질량을 갖고 있음을 알게 되었다. 한편 1896년 P. 제만은 나트륨 불꽃을 자기장 사이에 두면 스펙트럼의 D선이 확대되는 것을 발견하였다. 로렌츠는 다음과 같은 설명을 덧붙였다. 원자 내에는 가벼운 이온이 있으며, 원자 내를 지배하는 힘의 법칙에 따라 주기운동(周期運動)을 하고 있으며, 그 진동수를 지닌 빛을 방출한다. 여기에 외부로부터 자기장을 가하면 음극선 입자가 받는 것과 같은 종류의 힘을 가벼운 이온이 받아 운동의 진동수가 변한다. 그 결과 원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼선이 분리된다. 로렌츠는 가벼운 이온의 비전하 /는 가벼운 이온 전하의 절대값, 는 그 질량와, 밖에서 가해진 자기장의 크기와의 곱에 비례하는 양만큼 어긋난 진동수가 다시 가해지는 것을 발견하였다. 제만은 이에 따라서 비전하를 실험으로 결정하였다. 그 뒤 로렌츠는 빛의 굴절률에 관한 자신의 이론에서 /를 구하여, 제만의 측정값과 짜맞추어 와 를 따로따로 정하고, 이들 수치가 톰슨이 얻은 값과 정성적(定性的)으로 일치한다는 것을 제시하였다. 그리하여 원자 내에서 그 질량의 작은 부분을 차지하고 있는 데 불과하지만 원자로부터의 빛의 방출이나 원소의 화학적・물리적 성질을 정하는 데 있어서 중요한 역할을 하는 새로운 실체로서의 전자의 존재가 밝혀졌다.
방사능과 β선
1896년 A.H. 베크렐은 우라늄화합물이 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어 방사선을 내는 현상에서 방사능을 발견하였다. 그 뒤 1900년에 방사선 가운데 비교적 투과력이 강한 전하를 가진 β선이 음극선 입자와 같은 것임을 확증하였다. 이 전자(또는 그 반입자인 양전자)는 핵외전자가 아니라 핵을 구성하는 중성자와 양성자가 전화할 때 생긴다(예를 들면 중성자 → 양성자＋전자＋중성미자). 1932년 중성자가 발견된 뒤에는 원자핵이 양성자와 전자의 결합상태이고, 그 전자가 β선으로서 방출된다는 생각이 잘못되었음이 밝혀졌다.
전자의 성질
1928년 P.A.M. 디랙은 전자가 따르는 상대론적 파동방정식으로 전자의 반입자인 양전자(陽電子)의 존재를 예언하였으며, 4년 후에는 실험으로 확인하였다. 이 이론에 따르면 전자는 고유의 각운동량 /2(＝/2π, 는 플랑크상수), 자기모멘트의 크기 /2(이것을 보어마그네톤이라 하고 μ로 표기하는 경우가 있다. 이 때 는 진공 속의 광속도)를 가지게 된다. 그런데 후자의 실험값은 〔표〕와 같이 조금 어긋나 있다. 이 어긋남, 즉 이상자기(異常磁氣) 모멘트는 전자가 광자(光子)의 구름에 둘러싸여 있다는 양자역학적인 효과에 의한 것으로 이해되며, 양자전자기역학에 따른 계산 결과와 일치한다. 계산적으로 전자는 나비를 갖지 않은 점입자(點粒子)로 간주되지만 이론과 실험적으로는 전자가 콤프턴파장(〔표〕 참조)과 비교하여 매우 작은 나비(10㎝)밖에 가질 수 없는 것을 나타낸다. 이는 양성자가 콤프턴파장 2.1×10㎝ 정도의 나비와 이상자기모멘트가 핵마그네톤 /(2) 단위이며(는 양성자의 질량) 1.79라는 큰 값을 가지는 것과 극히 대조적이다. 전자와 양성자의 전하 크기보다 작은 전기량은 발견되지 않았지만, 양성자 등을 구성하고 있는 기본적인 실체가 더 작은 전기량을 갖고 있다는 것이 이론적으로 제시되어 있다. 앞으로 고에너지의 소립자 반응에 대한 연구로 전자의 구조가 문제시되며, 전하의 소량성(素量性；기본량)에 관한 새로운 지식도 얻을 수 있으리라 생각된다.
양전자 (陽電子 positron)
전자의 반입자(反粒子). 오스트리아의 E. 슈뢰딩거와 독일의 W.K. 하이젠베르크에 의해 양자역학이 확립된 뒤, 영국의 P.A.M. 디랙은 스핀 1/2의 전자가 따를 것이라고 생각되는 상대론적 파동방정식을 연구하여 1928년 디랙방정식을 발견하였다. 이 방정식은 전자가 가진 자기모멘트를 정확히 이끌어내는 데 성공하였다. 그러나 이 방정식에 의해 음에너지의 해(解)가 존재한다는 사실도 동시에 알려졌다. 음에너지의 해를 허용하면 전자는 빛을 방출하여 어디까지라도 낮은 에너지상태로 전이할 수 있으므로 전자는 불안정해진다. 이 곤란을 피하기 위해, 디랙은 진공은 모든 음에너지상태가 전자로 충만되어 있는 상태라고 보는 가설을 세웠다. 전자는 동일한 상태에 2개 이상 들어 있을 수 없는 페르미-디랙통계에 따르므로 이 가설에 의해 전자는 음에너지상태로 전이할 수 없게 되어 안정해진다. 에너지를 외부에서 가해 이 진공의 음에너지상태의 전자를 양에너지 전자로 전이시키면 하나의 전자와 하나의 음에너지상태의 결손이 얻어진다. 음에너지상태로 충만된 상태가 진공이므로 이 결손은 그곳에 양전하를 가진 입자(양전자)가 존재하는 것과 같다고 디랙은 생각하였다. 이것을 디랙의 구멍이론이라고 한다. 앞서 서술한 과정을 전자・양전자의 쌍생성, 역과정(逆過程)으로는 쌍소멸이 된다. 디랙이 예언한 양전자는 1932년 미국의 C.D. 앤더슨에 의해 우주선(宇宙線) 속에서 발견되었다. 현재 장(場)의 양자론에서는 양・음에너지의 해는 각각 전자를 생성하는 연산자, 양전자를 소멸시키는 연산자라고 재해석함으로써 진공은 무한개의 전자로 충만되어 있다는 무리한 가정을 하지 않더라도 모순이 없는 이론이 세워졌다. 디랙의 구멍이론에서는 애매했던 양전자의 질량도 전자의 질량과 같다는 사실을 이끌어낼 수 있게 되었다. 오늘날 디랙의 구멍이론은 어떤 에너지준위 이하가 페르미입자로 충만되어 있는 상태에서 출발하여 그 상태로부터의 들뜸이나 그들 역학을 생각하게 함으로써 반도체나 원자핵 이론에서 유효하게 쓰이고 있다. 양전자단층촬영을 의학에 이용하기 시작했다.
양전자소멸법 (陽電子消滅法 positron annihilation)
양전자가 전자에 포획되어 소멸하고 대신에 광자를 방출하는 현상을 이용한 물성정보의 측정법. 물질 중에 양전자는 매우 짧은 시간 동안에 열에너지 정도까지 감속된 후, 바깥껍질전자나 금속의 전도전자와 쌍을 이루어 소멸(쌍소멸)한다. 이 현상을 양전자소멸 또는 소멸이라 한다. 전자쌍의 스핀이 반평행의 일중항상태에서는 2광자를 방출하고, 평행의 삼중항상태에서는 3광자를 방출한다. 기체 중에 형성된 포지트로늄(Ps)이 소멸하는 경우에 삼중항의 오르토상태의 수명(〜1×10초)은 일중항의 파라상태의 수명(〜1×10초)에 비해 3자리 길어진다. 절연성인 고체・액체 중에서는 오르토 Ps가 주변의 영향을 받아 완화현상을 나타낸다. 이 수명의 완화현상을 비롯해, 0.51MeV의 소멸선의 도플러폭이나 각도상관, 양전자 운동량의 요동 등에 관한 정보에서 여러 가지 물성정보가 얻어진다.
베타붕괴 (－崩壞 beta decay)
원자핵이 β선, 즉 전자 또는 양전자를 방출하고 다른 원자핵으로 변하는 현상. 일반적으로 β붕괴라고 쓴다. 원자핵 속의 양성자(p) 또는 중성자(n)가 양전자(e) 또는 전자(e)를 방출하고 중성자 또는 양성자로 변하는 일종의 호변(互變) 변화에 의한 현상이다. 이 때 질량은 거의 0이며 전하를 가지지 않은 또 하나의 입자인 중성미자가 방출된다. β붕괴에서는 붕괴시 질량수는 변하지 않고, 양자수를 나타내는 원자번호가 1개 증가 또는 감소한다. β붕괴과정을 식으로 나타내 보면 전자방출인 경우에는 n → p＋e＋이고, 양전자방출인 경우는 p → n＋e＋이다. 여기서 , 는 각각 중성미자, 중성미자의 반입자를 나타낸다. 원자의 내각(內殼)을 돌고 있는 전자를 원자핵이 흡수하는 전자포획도 β붕괴의 일종으로서, e＋p → n＋로 나타내진다. β붕괴를 일으키는 상호작용은 매우 작은 결합상수를 가지기 때문에 약한 상호작용이라고 한다. 이 상호작용의 또 한 가지 특징은, 공간반전(空間反轉)에 대하여 불변이 아니라 패리티보존법칙을 깨고 있다는 점이다. 자유로운 중성자는 반감기 11.7분으로 β붕괴를 일으키지만, 자유로운 양성자의 β붕괴는 에너지적으로는 금지된다. 인공적으로 만들어진 많은 원자핵은 β붕괴의 과정을 거쳐 안정된 원자핵으로 변해간다. β붕괴의 예를 질량수 =14인 경우에 대해 그림으로 나타냈다. C에서는 전자를 방출하고 O에서는 양전자를 방출하여 N의 바닥상태 또는 들뜬상태로 옮겨간다. β붕괴는 원자핵의 준위의 성질을 조사하는 데 사용되며, 또한 수명이 긴 것은 방사성동위원소로서 다양하게 응용된다.
전자껍질 (電子－)
화학적 방법으로는 더 이상 분할할 수 없는, 물질의 기본 단위입자. 원자의 어원은 그리스어로 ＜분할할 수 없는＞이라는 뜻의 (atomos)에서 유래한다. 화학원소는 각각 한 종류의 원자로 되어 있다. 원소의 종류는 원자번호로 나타낸다. 지구상에는 수소(1번)부터 우라늄(92번)까지 92종의 원소가 천연적으로 존재한다. 원자핵반응에 의해 만들어지는 인공원소에는 넵투늄(93번)부터 운닐헥슘(106번)까지 알려져 있으며, 또한 107, 108, 109 등의 원소들도 만들어졌지만 반감기가 매우 짧아 확인이 어렵다.
원자와 분자
같은 종류 또는 다른 종류의 원자를 조합 또는 결합하는 방법의 차이에 따라 매우 많은 종류의 물질이 만들어진다. 물질 중에서 독립된 입자로서 행동하는 원자의 집합체를 분자라고 한다. 수소분자 H나 산소분자 O와 같이 한 종류의 원자 몇 개로 이루어진 홑원소물질분자도 있지만 대부분은 물분자 HO, 암모니아분자 NH 등 두 종류 이상의 원자로 이루어진 화합물분자이다. 물질 1㏖에는 아보가드로수(약 6.0×10개)만큼의 분자가 들어 있다. 비금속원자로 이루어진 홑원소물질 및 화합물이나 유기화합물에서는 기체상태뿐 아니라 액체・고체에서도 구성단위로서 분자의 존재를 인정할 수 있지만, 이온결정・금속결정에서는 독립된 구성단위로 분자를 생각하는 것은 적절하지 않다. 주기성을 가지고 배열된 원자 또는 이온의 성질이 중요하기 때문이다.
원자의 구성요소
원자는 1개의 원자핵과 그것을 둘러싼 1개 또는 여러 개의 전자로 이루어진다. 원자핵의 양전하에 의해 그것을 상쇄하는 만큼의 전자가 정전기적 인력에 의해 끌어당겨져 중성원자를 만든다. 원자핵의 크기는 약 10m 정도인데 비해 전자군은 원자핵을 중심으로 지름 약 10m의 영역에 걸쳐 존재한다. 예를 들어 원자핵을 지름 약 7㎝의 야구공으로 확대해 보면 원자는 700m, 즉 야구장 전체가 들어갈 정도의 크기가 된다. 한편 원자핵의 질량은 전자의 질량에 비해 매우 크다. 가장 간단한 수소원자에서는 원자핵이 양성자 1개로 이루어지고 그 질량은 약 1.67×10㎏인데 이것에 비해 전자의 질량은 그것의 1/1840에 지나지 않는다.
원자번호와 질량수
원자핵은 양성자와 중성자로 이루어진다. 양성자와 중성자는 질량이 거의 같고, 핵자라고 총칭된다. 양성자는 양의 기본전하(素電荷)를 가지며 중성자는 전하를 갖지 않는다. 원자의 종류는 그 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수에 의해 결정되는데 특히 양성자수가 중요하다. 즉 원자핵의 전하는 양성자수로 결정되고 그것에 의해 그 원자에 속하는 전자수가 결정된다. 원소의 화학적 성질은 거의 그 원자의 전자수에 의해 정해지므로 양성자수가 같은 원자는 동일한 화학원소에 속하게 된다. 이 때문에 양성자수는 원자번호와 일치한다. 양성자수와 중성자수의 합은 질량수라고 하며 원자질량단위(질량수 12인 탄소동위원소 C의 원자량의 1/12로 정의한다)로 나타낸 원자의 질량과 근사적으로 같다. 원자번호가 같고 질량수가 다른 원자를 동위원소(아이소토프)라고 한다. 또한 질량수가 같고 원자번호가 다른 원자를 동중원소(同重元素)라고 한다. 원자의 질량을 나타내는 데 흔히 사용되는 화학적 원자량이 일반적으로 정수값과 일치하지 않는 것은 천연으로 존재하는 원소가 질량수가 다른 여러 종류의 동위원소들의 혼합물이기 때문이다. 원자핵은 매우 좁은 장소에 큰 질량을 채운 극한적 고밀도상태이다. 원자핵을 형성하는 역할을 하는 것이 핵력(核力)이다.
원자의 에너지준위
원자핵의 양전하와 전자의 음전하 사이에 작용하는 정전기력에 의해 전자가 원자핵 주위를 궤도운동하는 것은 태양계에서의 행성의 운동과 비슷하지만 동일한 이론을 이용하여 이것을 설명할 수는 없다. 원자 중의 전자운동에 고전물리학을 적용하면 실험사실과 맞지 않는 여러 가지 곤란이 생긴다. 예를 들어전자기학 이론에 의하면, 하전입자가 호(弧)를 그리며 운동하면 전하에 가속도가 작용하기 때문에 전자기파가 복사(輻射)된다. 따라서 궤도전자는 점점 운동에너지를 잃고 궤도반지름이 축소되어 마침내 전자는 원자핵과 합체된다. 그런데 이 결론은 전자가 원자 중에서 일정한 운동상태를 유지하며 안정하게 존재하는 사실과 모순된다. 원자스펙트럼 등의 실험에 의하면, 원자 내의 전자는 원자의 종류에 따라 결정되는 띄엄띄엄한 불연속적인 운동상태밖에 취할 수 없다는 것이 알려져 있다. 이 띄엄띄엄한 불연속적인 상태(이산적 정상상태)를 에너지준위라고 한다. 방전관 속의 원자처럼 다른 전자의 충돌에 의해 자극을 받고 높은 준위로 전이한 원자는 낮은 순위로 되돌아올 때 두 준위 사이의 에너지차와 동일한 에너지를 전자기파(빛)의 형태로 복사한다. 이것이 원자의 선스펙트럼이다. 또한 안정한 상태(바닥상태)에 있는 원자에 연속스펙트럼을 지닌 빛을 비추면, 원자의 종류에 따라 고유한 띄엄띄엄한 불연속적인 파장의 빛만이 흡수되며 흡수스펙트럼이 관찰된다. 이것은 바닥상태에서 여러 가지 들뜬상태로의 전이가 빛의 흡수에 의해 일어나는 것을 나타낸다. 흡수되는 빛의 파장은 들뜬상태와 바닥상태의 에너지차와 같은 광자에너지를 가진 빛의 파장으로 한정된다. 원자 에너지준위의 존재나 에너지준위 사이의 전이를 취급하려면 원자 내의 전자운동에 미시적 세계의 역학, 즉 양자역학을 적용해야 한다.
양자역학의 구성
20세기 초에 E. 러더퍼드에 의해 원자핵의 존재가 확증되어 원자모형이 제창된 후, N.H.D. 보어는 원자 내의 전자궤도로서 특정한 각운동량을 가진 것만이 허용된다는 양자조건을 가정함으로써, 고전역학과 에너지양자의 사고방식을 절충한 이론(고전양자론)을 제창하여 원자스펙트럼에 관한 많은 현상을 설명하는 데 성공했다. 그러나 미시적 세계의 역학을 통일적으로 이해하게 된 것은 A. 아인슈타인과 L.V. 드 브로이에 의한 물질파의 개념과, M. 보른에 의한 파동함수의 해석 등을 거쳐 1925년 W.K. 하이젠베르크와 E. 슈뢰딩거에 의해 각각 독립적으로 확립된 양자역학이 출현한 후이다. 빛은 전자기파의 일종이지만 광전효과의 경우처럼 물질과 상호작용을 할 때 양자적인 행동을 한다. 또한 전자와 같은 미시적 입자는 전자선회절에서 볼 수 있듯이 파동성을 아울러 가지고 있다. 이와 같이 미시적 물질은 모두 입자와 파동의 이중성을 갖는다는 것이 20세기에 들어와 알려지게 되었다. 양자역학에서는 고전역학과는 대조적으로 원자내전자의 상태는 파동함수(상태함수)로 나타내고, 에너지・운동량 등의 역학적 양은 파동함수에 작용하는 연산자로 나타낸다. 이들 양 사이의 관계는 기초방정식인 슈뢰딩거의 파동방정식에 의해 나타낸다. 에너지와 기타 물리량이 취할 수 있는 값은 파동방정식에 적당한 경계조건을 주었을 때 방정식의 고유값으로서 얻어진다. 개개의 에너지 고유값에 대응하는 파동함수의 해(解)를 고유함수라고 한다. 공간의 각 점에서 전자가 존재하는 확률은 파동함수의 제곱으로 주어진다. 이와 같이 전자가 어느 시각에 어느 장소에 있느냐 하는 것은 양자역학에서는 일의적(一義的)으로 정해지지 않으며 확률만 정해질 뿐이다. 따라서 원자내전자의 운동상태를 나타내는 데 고전역학처럼 정해진 궤도를 생각하는 것은 잘못이며 상태함수의 제곱으로 나타낸 전자구름과 같은 묘상(描像)을 그리는 것이 적절하다. 그 구름의 농담(濃淡)은 그 장소에서 전자가 존재하는 확률의 크기를 나타낸다. 양자역학에 의하면 원자가 취할 수 있는 정상상태의 에너지값이나, 원자가 빛을 흡수하거나 복사하는 에너지준위 사이에서 일어나는 전이 발생의 난이도(難易度) 등을 일관된 이론체계 속에서 정확하게 계산할 수 있다.
원자의 전자껍질구조
원자내전자의 정상상태를 지정하는 데는 보통 4개의 양자수의 짝을 이용한다. 주양자수 에 의해 에너지의 크기가 대충 정해진다. 에너지가 가장 낮은(속박에너지가 큰) 쪽에서 높은 쪽으로 =1, 2, 3, …의 차례로 되어 있다. 방위양자수 은 전자의 각운동량의 크기를 나타내고 보통 =0, 1, 2, 3, …에 대응하여 고유상태를 s, p, d, f의 기호로 나타낸다. 하나의 각운동량을 지닌 상태는 자기양자수 (각운동량의 성분을 나타내는 양자수)으로 구별된다. 정해진 의 상태에 대해 허용되는 의 값은
－, －＋1, …, 0, …-1,
의 2＋1개이다. 즉, 자기장을 걸면 이 수만큼의 상태로 분리된다. 마지막으로 스핀양자수는 ＋1/2이나 －1/2을 취한다. 원자내전자는 바닥상태에서는 에너지가 낮은 안쪽의 상태부터 차례로 자리를 차지한다. 단, W. 파울리의 배타원리라는 법칙에 의해서 하나의 양자상태를 1개 이상의 전자가 차지하는 경우는 없다. 때문에 원자내전자는 그 수가 많아짐에 따라 에너지가 낮은 안쪽의 궤도부터 차례로 채워진다. 각 궤도의 수용능력은 1s오비탈에 2개(스핀＋1/2과 －1/2), 2s오비탈에 2개, 2p오비탈에 6개(=1의 궤도는 자기양자수의 차이에 의해 3개 준위로 나뉜다), 3s오비탈에 2개, 3p오비탈에 6개, 3d오비탈에 10개(=2의 궤도는 자기양자수의 차이에 의해 5개 준위로 나뉜다)로 정해진다. 주양자수가 같은 상태는 에너지에 대해 일괄적으로 취급할 수 있으므로 동일한 전자껍질로 분류된다. 이 1, 2, 3, 4, 5인 전자껍질을 각각 K, L, M, N, O껍질이라 한다. 각 전자껍질에 포함되는 상태수는 K껍질에 2개, L껍질에 8개, M껍질에 18개가 된다. 〔표〕에 원자번호 1〜54의 원소에 대한 원자의 전자배치를 나타냈다.
원자의 전자껍질 구조와 화학적 성질
이상과 같은 전자껍질구조를 이용하면 원소의 여러 가지 화학적 성질이 주기율에 따라 변하는 것을 잘 이해할 수 있다. 비활성기체원소인 헬륨 He, 네온 Ne, 아르곤 Ar 등에서는 각각 K껍질과 L껍질, M의 부껍질(3p오비탈까지)에 전자가 완전히 채워져 있기 때문에 화학적으로 비활성이다. 알칼리금속인 리튬 Li, 나트륨 Na, 칼륨 K 등은 채워진 껍질의 바깥껍질 중 s오비탈에 1개의 전자만이 있으므로 이온화에너지(전자 1개를 제거하는 데 필요한 에너지)가 특히 적고, 다른 원자에 전자를 주고 양이온이 되기 쉬운 성질이 있다. 한편 할로겐족인 플루오르 F, 염소 Cl, 브롬 Br 등에서는 비활성기체원자처럼 채워진 껍질을 만들려면 전자가 1개 부족하므로 전자를 받아서 1가의 음이온이 되기 쉬운 성질이 있다. 보통 어떤 원소의 원자 1개가 특정한 원자(수소원자를 표준으로 하여 1로 한다) 몇 개와 결합하는가를 나타내는 수를 원자가라 한다. 원자가는 원자 사이에 결합이 형성되는 메커니즘을 생각하는 기본이 되며, 원자의 가장 바깥껍질에 있으면서 화학반응에 관여하는 전자(원자가전자)의 수로 결정된다.
원자내전자의 속박에너지
우라늄이나 플루토늄을 사용한 원자로에서 생산되는 에너지를 일반적으로 원자에너지라고 하는 경향이 있지만, 원자로의 에너지는 원자핵분열(핵분열)에 의해 발생되는 것이므로 원자핵에너지(핵에너지)라고 하는 것이 옳다. 원자에너지는 오히려 화학반응에너지에 가깝다. 원자의 가장 바깥쪽에 있는 전자를 원자 밖으로 제거하는 데 필요한 에너지를 첫째이온화에너지라고 한다. 가장 큰 값을 갖는 것이 헬륨으로 24.58eV이고, 가장 작은 값은 세슘으로 3.9eV이다. 여기서 eV는 기본전하를 가진 입자가 1V의 전위차로 가속되었을 때 얻는 에너지인데 약 1.6×10J에 해당된다. 원자내전자 중에서 가장 큰 에너지로 속박되어 있는 것은 가장 안껍질(K껍질)의 전자이다. 천연원소에서는 우리늄의 K껍질 전자의 에너지가 가장 크고, 값은 약 1.16×10V이다. 이와 같은 안껍질준위의 에너지에 관한 지식은 원소의 특성X선이나 X선광전자스펙트럼의 측정으로 얻어진다.
연표
500 ~300 레우키포스・데모크리토스・에피쿠로스, 원자론적 자연철학을 제창
BC 80 경 루크레티우스, 장시 《물(物)의 본질에 대해》
AD 1774 A.L. 라부아지에, 질량보존의 법칙 발견
1799 J.L. 프루스트, 일정성분비의 법칙 발견
1803 J. 돌턴, 배수비례의 법칙 발견, 화학변화에 대한 여러 법칙을 원자론을 이용하여 설명, 원자기호를 만들고 원자량을 계산
1808 J.L. 게이 뤼삭, 기체반응의 법칙 발견
1811 A. 아보가드로, 분자설 발표
1859 J. 플뤼커, 음극선을 발견
1860 J.C. 맥스웰, 기체분자운동론 발표
1869 D.I. 멘델레예프, 원소주기율 발표
1895 W.K. 뢴트겐, X선 발견
1896 L. 볼츠만, 기체분자운동론 완성. P. 제만, 제만효과 발견
A.H. 베크렐・퀴리부부, 방사능 발견
1897 J.J. 톰슨, 전자의 비전하(e/m) 측정
1900 M.K.E.L. 플랑크, 양자가설 제창
1903 E.N. 러더퍼드・F. 소디, 원자핵의 방사성붕괴설 제창
J.J. 톰슨, 최초의 원자모형 제창
1905 A. 아인슈타인, 광전효과
1908 C.G. 바클라, 원소의 특성X선 발견. J.H.W. 가이거, 최초의 계수장치 발명. J.B. 페랭, 분자의 실재성 실증
1909 R.A. 밀리컨, 전자의 전하 측정
1910 F. 소디, 동위원소의 개념 발표
1911 E.N. 러더퍼드, 원자핵의 존재 실증. C.T.R. 윌슨, 안개상자 발명
1912 M. 라우에・브래그 부자, X선의 결정에 의한 회절현상 발견
1913 N.H.D. 보어, 원자모형과 고전양자론 제창J. 슈타르크, 슈타르크효과 발견
1914 J. 프랑크・G.L. 헤르츠, 전자충돌에 의한 원자의 들뜸 연구
1919 F.W. 애스턴, 질량분석기로 동위원소 연구. E.N. 러더퍼드, α입자의 충격에 의한 원자핵의 인공파괴
1923 A.H. 콤프턴, 콤프턴효과 발견. O. 슈테른, 원자선의 자기장 중 방향양자화에 관한 실험. L.V. 드 브로이, 물질파의 개념 제창
1925 W. 파울리, 전자스핀의 개념 제창, 파울리의 원리 발견. G.E. 울렌벡・S.A. 하우트스미트, 원자스펙트럼의 다중항연구에 의한 스핀개념 실증. W.K. 하이젠베르크, 양자역학(행렬역학) 확립
1926 E. 슈뢰딩거, 양자역학(파동역학)의 이론 확립. E. 페르미・P.A.M. 디랙, 양자통계역학 창시
1927 ~28 C.J. 데이비슨・G.P. 톰슨, 전자선결정에 의한 회절 실증
1928 P.A.M. 디랙, 상대론적 양자역학 확립
1931 E.O. 로렌스, 사이클로트론 발명. W. 파울리, 뉴트리노(중성미자)의 존재 예언
1932 J. 채드윅, 중성자 발견. C.D. 앤더슨, 양전자 발견
1933 L.C. 폴링, 화학결합의 본성에 관한 연구
1934 E. 페르미, 중성자충격에 의한 원자핵 반응연구. 조리오 부부, 인공방사성원소 연구. 유카와 히데키[湯川秀俊], 핵력이론에 의해 중간자의 존재 예언
1938 O. 한, 우라늄 원자핵분열 발견
1940 E.M. 맥밀런, 초우라늄원소 발견. I.I. 라비, 원자선자기공명 발견
1947 도모나가 신이치로[朝永振一郞]・J.S. 슈잉거, 양자전자기역학 완성. W.E. 램, 수소원자의 램이동량 발견
1948 P. 쿠시, 전자의 자기모멘트 정밀측정
1949 A. 카슬레, 광펌핑법을 창안하여 양자전자공학의 기초 개척
1955 E.G. 세그레・O. 체임벌린, 반양성자 발견
1958 R.L. 뫼스바우어, 되튀김없는핵공명흡수(뫼스바우어효과) 발견
1960 C.H. 타운스 등, 레이저 실현
1963 M. 겔만, 강입자에 관한 쿼크모형 제창
1965 K. 시그반, X선광전자분광 정밀실험. N. 블룸버건・A. 숄로, 레이저분광법 개발
1967 S. 와인버그・A. 살람, 약한상호작용과 전자기적상호작용의 통일이론
1974 S.C.C. 팅・B. 리히터, J/ψ입자 발견
구멍이론 (－理論 hole theory)
전자의 상대론적 파동방정식은 에너지가 음(陰)의 해(解)를 지니는데, 그 해가 야기시키는 곤란을 피하기 위하여 영국의 물리학자인 P.A.M. 디랙이 제출한 이론. 디랙은 1928년에 상대론적 공변(共變)의 요청을 충족시키는 파동방정식(波動方程式；디랙방정식)을 발견하였다. 이것은 스핀 1/2의 입자를 설명하므로 전자의 기초방정식으로 간주되는 것으로 생각되었으나, 에너지가 음(陰)이 되는 해를 지니는 점이 문제였다. 자유전자의 경우 운동량이 , 에너지가 이 되는 해가 있다( 는 광속도, 는 전자의 질량). 이러한 상태에 있는 전자에 관해서는 그 속도의 방향으로 힘을 가하여 일을 해주면 에너지는 증가하게 마련이므로 운동량의 크기는 줄어드는 수밖에 없다. 이것은 운동량이 힘과는 역방향이고, 따라서 속도와도 반대방향이라는 사실을 의미하고 있다. 양(陽)에너지의 전자도 퍼텐셜의 높은 벽에 부딪치면 음에너지의 행동으로 변하게 된다(O. 클라인의 패러독스). 또한 수소원자는 전자가 전자기장(電磁氣場)과 상호작용을 하여 당장에 음에너지의 준위(準位)로 떨어져 버리기 때문에 안정되게 존재할 수 없게 된다. 구멍이론은 이러한 곤란을 피하기 위하여 1930년에 디랙이 제시한 것으로, 우리가 진공(眞空)이라고 부르는 것은 공허(空虛)한 것이 아니고 모든 음에너지 준위에 전자가 충만해 ＜음에너지 전자의 바다＞가 형성되어 있는 상태라고 본다. 거기에 양에너지의 전자가 오더라도 이것은 페르미(fermi)입자이므로 파울리의 원리(原理)에 묶여서 이미 점거되어 있는 음에너지 상태로 떨어질 수는 없다. 이리하여 세계의 안정성이 보장되는 것이다. 한편 양에너지 전자는 음에너지전자의 바다 속을 달려도 산란되지 않고 아무것도 만나지 않았던 것처럼 관성의 법칙에 따라 계속 달린다는 사실이 에너지와 운동량보존법칙으로 증명된다. 빛에 대해서도 마찬가지이다. 그런데 에너지 내지 운동량을 빨아들이는 물질이 개재되면, 고(高)에너지의 광자(光子:선)가 음에너지의 전자를 양에너지의 준위로 밀어올리는 일도 생긴다. 이리하여 음에너지전자의 바다에 생긴 구멍을 전자의 음전하(陰電荷)가 빠졌기 때문에 양전하로 보이고, 에너지도 양(陽)이 되어 운동량은 속도와 평행으로 보이며 그 질량은 전자와 똑같다. 다시 말해서 디랙의 이론은 전자와 전하의 부호(符號)만이 다른 양전자의 존재를 예언한다. 앞에서 말한 광자에 의한 전자의 밀어올림에 의해, 즉 선에 의해 음・양전자 1쌍이 만들어지는 것이다(전자쌍 생성이라고 한다). 양전자의 존재는, 1932년에 C.D. 앤더슨이 우주선(宇宙線)의 무상사진(霧箱寫眞) 속에서 비적(飛跡)을 발견하였는데, 1933년 P.M.S. 블라켓 등의 상세한 분석으로 확인되었다. 에너지의 물질로의 전화(轉化)에 최초의 예인 전자쌍 생성은 H.A. 베테와 W. 하이틀러 등에 의해 빈도가 계산되었으며, 졸리오퀴리 부부 등의 실험으로 확증되었다. 디랙의 구멍이론은 진공을 풍부한 실체로 봄으로써 전자의 양자역학을 본질적인 다체문제화(多體問題化)하여 전자 주위의 진공의 분극 등 발산의 곤란이라 불리는 새로운 문제를 제기하였다.
뉴트리노
렙톤(경입자)의 일종. 뉴트리노라고도 한다. 역사적으로는 붕괴 때에 에너지보존법칙을 설명하기 위해 도입되었다. 즉 붕괴 때에 나오는 전자가 연속스펙트럼을 가졌다는 사실에서는 에너지보존법칙이 성립하지 않는 것처럼 보이지만, 1930년 W. 파울리는 전기적으로 중성이며 질량이 0이거나 전자에 비해 훨씬 작은 입자가 전자와 함께 방출된다고 가정하면 에너지보존법칙이 성립한다는 것을 지적해 중성미자의 존재를 이론적으로 예언했다. 실험적으로는 1953년 미국의 F. 라이네스와 C.L. 코완이 검출했는데, 그들은 원자로에서 1초 동안에 1㎠당 10조 개가 방출되는 반전자중성미자()를 검출기 내의 양성자와 반응시켰다. 그 결과 1시간당 수개 정도의 반전자중성미자가 검출되었다. 이러한 중성미자의 구조는 확인되지 않고 있으며 다른 물질, 과거의 반응하지 않으므로, 1960년 이전의 과학자들은 이것을 대량으로 만들어 실험할 수 없기 때문에 약한 상호작용을 연구하는 데 큰 장애가 된다고 생각했다. 또 이들은 중성미자에는 원자핵의 붕괴에 따라 전자와 함께 나오는 중성미자()와 중간자의 붕괴에 따라 입자와 함께 나오는 중성미자()의 2종류가 있다고 알고 있었는데, 이 2종류가 같은 것인지 아니면 다른 것인지를 구별할 수가 없었다. 드디어 1960년 당시 콜롬비아 대학에 있었던 M. 슈바르츠가 L.M. 레더먼, J. 슈타인베르크와 함께 가속기(양성자나 전자 등의 입자를 광속 가까이까지 가속시킨 다음 여러 가지 대상물에 충돌시켜 입자의 붕괴 모습을 조사함으로써 그 성질이나 구조를 알아내는 실험 장치)를 써서 중성미자를 대량 만든다는 생각을 실험에 옮겼다. 이 실험은 1962년에 시작되었는데 당시 갓 완성된 세계 최대의 가속기 ＜AGS양성자싱크로트론＞으로 양성자를 15GeV까지 가속시켜 중성미자빔을 만드는 데 성공했다. 중성미자빔 발생에 성공한 이들은 이 빔을 써서 중성미자의 성질을 조사하는 실험에 착수했는데 와 가 같은 것인지를 해명하기 위해 입자와 함께 만들어진 이 중성미자빔이 알루미늄으로 만든 스파크챔버라 불리는 검출기를 통과하도록 만들었다. 만일 중성미자가 2종류라면, 이때 만들어지는 것은 입자뿐일 것이다. 실험결과 입자가 34개 만들어진 데 대해 전자는 하나도 만들어지지 않았다. 이로써 뉴트리노는 2종류가 존재한다는 것이 실증되었고 위 세 사람은 1988년 노벨물리학상을 받게 되었다. 또한 1989〜1990년에 걸쳐서 유럽소립자연구소와 미국의 SLC 등의 가속기에 의해 중성미자의 종류가 전자형, 뮤형, 타우형의 3가지뿐이라고 결정되었고 다른 소립자와 마찬가지로 그들의 반입자인 반중성미자가 각각 존재한다. 그러나 타우중성미자는 현재까지 실험으로는 검출되지 않고 있다. 현대 과학에서 중성미자는 우주론적으로 매우 중요시되고 있는데, 이 중성미자를 검출해 우주를 관측하려는 중성미자망원경도 발명되었다. 이 중성미자망원경은 별의 표면에서 나온 빛과 전파를 탐지하는 광학망원경이나 전파망원경과는 달리 별 속 깊숙이서 핵융합반응을 일으켜 방출되는 중성미자를 검출함으로써 별의 내부 정보를 알아내려는 것이다. 현재 이 망원경은 미국・일본・러시아・이탈리아 등 몇 군데밖에 존재하지 않는다. 그것도 빛이나 다른 전파의 간섭을 피하기 위해 호수나 광산 깊숙이 위치하는데 초신성을 검출한 일본 가미오카[神岡(신강)]지방의 중성미자망원경은 1500m지하의 폐광 속에 설치되어 있다. 이곳에서는 지구의 지층을 꿰뚫고 지구 반대편의 태양을 사진으로 찍는다. 태양이 핵융합할 때 중심부에서 방출된 중성미자는 태양과 지구를 뚫고 가미오카의 망원경에서 검출되는 것이다. 중성미자망원경의 효과는 이미 확인됐는데 관측된 마젤란성운 초신성 온도가 500조도(兆度)로 이론상으로 예측한 값과 일치했기 때문이다. 그러나 보다 중요한 것은 중성미자망원경으로 우주탄생 1초 후에 발생한 중성미자를 검출할 수 있으리라는 기대이다. 중성미자망원경이 개량되면 언젠가 태초의 영상을 볼 수 있을 것이라는 생각에서 중성미자천문학은 앞으로도 계속 각광을 받을 것이라 기대된다.
중간자 (中間子 meson)
소립자(素粒子) 가운데 질량이 전자・양자의 중간값을 가지는 것의 총칭. 메소트론이라고도 한다. 즉 소립자 가운데 스핀(플랑크 상수를 로 하고, =/2를 단위로 하는 자전 각운동량의 크기)이 정수(整數)이고 강한 상호작용을 하는 입자의 총칭이다. 대표적인 것은 일본의 유카와 히데키[湯川秀樹(탕천수수)]가 그 존재를 예언한 중간자로 ＋1, －1, 0의 전하(전기소량단위)를 가지는 3종류가 있는데 이와 같이 전하가 다른 것을 따로따로 세어 보면 이미 100종에 가까운 중간자가 발견되었다. 소립자는 물질의 가장 기본적인 구성요소로 생각되어 왔는데 그 중에서 강한 상호작용을 하는(서로 전기적으로 100배 정도의 강한 힘을 미침) 것을 강입자족이라 하며 소립자의 대부분을 차지한다. 강입자는 다시 스핀이 반정수(半整敷)인 중입자(대표적인 것은 양성자와 중성자)와 스핀이 정수인 중간자로 분류된다.
중간자 이론
원자핵 속에서 양성자・중성자를 결합하고 있는 힘(核力)을 매개하는 입자로서의 중간자 존재를 예상한 이론이다. 유카와이론이라고도 한다. 1935년 유카와는 이 중간자론을 발표하여 1949년 노벨물리학상을 수상하였다. 이미 1932년 전자와 함께 원자를 구성하는 원자핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 그런데 핵자를 결합시켜 원자핵을 만드는 새로운 힘, 즉 핵력은 하전입자 사이에 작용하는 쿨롱의 힘과 비교하면 세기가 100배 정도 크고, 원자핵 크기(10〜10㎝) 정도의 짧은 거리에서만 작용한다는 특징을 가지고 있어 그 본성은 당시 전혀 밝혀지지 않았다. 유카와는 핵력은 U입자라는 미지의 입자가 핵자 사이에서 교환됨으로써 생기는 것이라고 하였다. U입자가 거리 만큼 떨어진 2개의 핵자 사이에서 교환되면 핵력의 위치에너지는 기본적으로
로 나타낸다. 는 빛의 속도, 은 U입자의 질량인데, /＝로 두고, 원자핵의 크기로부터 〜2×10㎝를 취하면, U입자의 질량에너지는 〜100MeV이다. 즉 U입자는 전자와 핵자의 ＜중간＞ 질량을 가지게 된다. 는 U입자와 핵자의 상호작용 세기를 나타내는 결합상수로, 핵력이 강하므로 /는 큰값(강한 상호작용)을 갖는다. 유카와는 핵자가 방출하는 U입자가 전자와 중성미자(뉴트리노)로 붕괴된다고 보고 원자핵의 붕괴도 설명하려고 하였다. 이런 점에서 보면 유카와이론은 자연계의 여러 힘을 통일적으로 다루려는 소립자물리학 통일이론의 한 선구라고 할 수 있다. 1937년에 우주선(宇宙線) 속에서 발견된 〜100MeV입자가 유카와이론의 예상과는 달리 원자핵과 강한 상호작용을 하지 않는 점에서 사카다 쇼이치[坡田昌一(파전창일)] 등은 이 입자를 U입자와 다른 입자로 2종류의 중간자가 존재한다고 하였다(2중간자론, 1942). 핵력을 매개하는 중간자(파이온)는 1947년 우주선 속에서 발견되어 이듬해에 가속기를 이용하여 인공적으로 생성되었다. 중간자는 140MeV인데 중간자 가운데 가장 질량이 작다. 입자(뮤온)는 스핀이 1/2이므로 현재로는 중간자로 분류하지 않고 전자나 중성미자와 함께 소립자의 경입자(렙톤)족으로 분류한다.
중간자의 구조
중간자는 스핀 1/2의 입자 쿼크 q와 그 반입자(反粒子)인 반쿼크 가 결합한 상태이다. 쿼크・반쿼크 및 그것들 사이에서 교환되어 힘을 매개하는 글루온(gluon)은 ＜색전하(色電荷)＞라고 하는 양자수를 가지며 색전하에 의한 힘의 성질에서 중간자(일반적으로 강입자) 내부에 갇혀 있다고 보고 있다. 100종류나 되는 중간자의 여러 가지 성질은 그것들이 q와 q의 결합계라는 점에서 이해된다. 몇 가지 예를 들면 3종류의 중간자 , , (오른쪽 위는 전하 )는 스핀 와 패리티 가 공통(＝0)이고 〔표 1〕에 표시한 것처럼 질량도 거의 같다. 여기서 패리티 란 공간좌표를 반전시키는(우회전좌표계를 좌회전좌표계로, 또는 거꾸로 바꾼다) 경우 그 입자의 파동함수와 관계되는 부호를 말한다. 이와 같이 전하만 다르고 다른 성질은 동일한 중간자를 아이소 다중항이라 하는데, 정수나 반정수의 아이소 스핀 를 부여하고 전하 는 ＋/2부터 －＋/2에 이르는(2＋1)개의 값을 취한다. 정수 를 스트레인지니스 양자수라고 한다(나카노-니시지마-겔만의 법칙). 〔표 1〕에 표시한 가장 질량이 작은 중간자의 무리는 ＝0인 아이소 3중항 , ＝1인 아이소 2중항 ＝－1인 아이소 2중항 , ＝0인 아이소 1중항 인데, 이들 8개의 중간자는 ＝0가 공통이고 질량도 거의 같으므로 유니터리 8중항을 만든다고 한다. 〔표 2〕는 다음으로 질량이 작은 ＝1의 유니터리 9중항 중간자를 표시한다. 〔표 1〕과 〔표 2〕의 중간자는 질량이 작은 3종류의 쿼크 u, d 또는 s와 그 반쿼크 ū, 또는 가 궤도각운동량의 크기 0의 바닥상태에서 스핀 반평행 또는 평행으로 결합한 계(系)이다. 이와 같이 계통적으로 많은 중간자가 존재하는 것은 그것들이 q와 의 결합계라는 구조를 가지기 때문인데, 등의 양자수, 다중항의 형성, 질량・수명 등 여러가지 붕괴양식 등도 이 구조에서 이해된다. 1970년대에 접어들어 참(charm) 양자수 를 가지며 질량이 큰 쿼크 c와 ū, 또는 로 이루어지는 중간자(〔표 3〕의 D와 F), c와 그 반입자 의 결합계(〔표 3〕의 〜), 또한 질량이 큰 쿼크 b와 의 결합계로 볼 수 있는 중간자(〔표 3〕의 ) 등이 발견되었다. 중간자는 앞으로도 더 많이 발견될 것으로 기대된다. 또한 2개의 q와 2개의 결합계나 글루온만의 결합계도 중간자의 종류로 분류해야 하나 그것에 대한 확증은 아직 얻지 못하고 있다. 중간자가 원자핵에 흡수되면 그 질량에너지가 방출되어 원자핵은 많은 파편으로 파괴되는데 이 메커니즘을 이용하여 암세포를 파괴하는 등 의료면에 응용하려는 연구가 시작되고 있다.
[출처]http://blog.naver.com/csj_11?Redirect=Log&logNo=30034196466
소립자의 일종. 입자라고도 하며, 양・음의 입자 가 있다. 1934년 일본의 유카와 히데키[湯川秀樹(탕천수수)]가 핵력을 매개하는 입자로서 중간자의 존재를 예언한 후, 1937년 우주선(宇宙線) 중에서 그 입자가 발견되어 중간자(meson)라 하였다. 그러나 뮤온은 원자핵과의 상호작용이 약하고, 유카와 이론의 중간자가 아닌 것이 판명되어(핵력을 매개하는 것은 47년에 발견된 중간자이다), 뮤온은 중간자가 아닌 전자 등과 같은 경입자(렙톤)로 분류된다. 그러나 현재에도 중간자라 부르는 경우가 있다. 뮤온 는 각각 중간자의 붕괴로 생성되고, 그 자신은 평균수명 2.2×10초로서 붕괴하여 를 방출한다(→＋＋→＋＋；는 뉴트리노, 즉 중성미자). 뮤온은 정지질량이 0.1134amu(전자의 약 207배)이고, 스핀은 1/2, 자기모멘트는 ±8.891(核磁子)이며 질량을 제외하고는 전자와 거의 비슷한 성질을 가진다.
전자 (電子 electron)
소립자(素粒子)의 일종. 질량은 양성자(陽性子:수소의 원자핵)의 약 1/1800이며, 양성자의 전하(電荷)와 크기가 같고 부호가 반대인 음전하를 가지고 있으며, 물질을 구성하는 원자의 중요한 구성요소로 되어 있다. 중성원자의 중심에는 원자 질량의 대부분을 차지하는 매우 작은 원자핵이 있고, 그 둘레를 핵의 양전하를 소멸시킬 수 있는, 원자번호와 같은 수의 전자가 운동하고 있다. 이와 같은 원자의 모양이 확립된 것은 E.N. 러너퍼드에 의한 원자핵의 발견과 그 뒤 계속된 1910〜1920년대에 걸친 양자역학의 성립에 의한 것이다. 그러나 이미 알고 있는 입자와는 다른 새로운 실체로서 전자의 존재가 확립된 것은 19세기 말이며, 이것은 전자가 관여하는 여러 가지 현상에 대한 연구를 통해 이루어졌다.
어원
적당한 두 물체를 서로 마찰시키면 그것들이 대전하는 현상은 옛 기록에도 있다. 일렉트론이라는 말은 그리스어원으로 호박(琥珀)을 의미한다. 호박이 마찰에 의해 전기를 띤다는 데서 마찰에 의해 생기는 것, 즉 전기를 의미하게 되었다. 이와 같이 대전현상은 서로 닿는 두 물체 사이에서 전하의 분포가 바뀌는, 즉 전자의 재배치가 이루어지기 때문에 생기는데 마찰은 물질 속에서 움직이기 쉽도록 전자를 재배치시키는 단순한 수단에 지나지 않는다.
전자의 발견
처음에는 음극선의 입자로서 발견되었으나 뒤에 모든 물질의 구성요소임이 인정되었다. 전자의 존재는 진공방전에서 음극선의 연구를 축으로 하여 확립되었다. 1836년에 M. 패러데이가 진공방전의 연구를 시작하였고, 그 뒤 19세기 중엽 독일의 물리・수학자 J. 플뤼커는 자신의 고안에 따라 H. 가이슬러가 만든 방전관(放電管)으로 본격적인 연구를 시작하였다. 플뤼커는 음극에 가까운 유리벽에서 형광이 방출하는 것을 발견하고 그것을 일종의 방사선이 음극에서 나오기 때문에 생기는 것으로 생각하여, 그 방사선이 자석의 작용으로 휘어진다는 것도 알게 되었다. 이 음극선의 본성을 둘러싸고 많은 연구를 하여 19세기 말 J.J. 톰슨과 H.A. 로렌츠에 의해 전자란 아직 알려지지 않는 입자의 흐름이라는 것이 확정되었다. 1894년 톰슨은 회전경(回轉鏡)을 사용하여 음극선의 속도를 정하고, 그것은 전자기파(빛)가 전달되는 속도의 1/100 이하인 것을 제시하여, 음극선이 에테르(전자기파의 매체)의 진동이라는 설을 부정하였다. 다음 해에 J.B. 페랭은 음극선을 금속상자에 넣어 상자가 음으로 대전하는 것을 발견하였다. 톰슨은 음극선이 음전하를 지닌 입자로 이루어진다고 가정하여 입자의 비전하(比電荷) /(여기서 는 입자의 전하절대값, 은 질량)를 측정한 결과, 수소이온의 비전하의 약 1000배라는 큰 값을 얻게 되었다. 그 뒤 전하 자체를 측정하여 수소이온의 전하와 거의 같은 크기인 것을 발견하였다. 이리하여 음극선의 입자는 원자보다 상당히 작은 질량을 갖고 있음을 알게 되었다. 한편 1896년 P. 제만은 나트륨 불꽃을 자기장 사이에 두면 스펙트럼의 D선이 확대되는 것을 발견하였다. 로렌츠는 다음과 같은 설명을 덧붙였다. 원자 내에는 가벼운 이온이 있으며, 원자 내를 지배하는 힘의 법칙에 따라 주기운동(周期運動)을 하고 있으며, 그 진동수를 지닌 빛을 방출한다. 여기에 외부로부터 자기장을 가하면 음극선 입자가 받는 것과 같은 종류의 힘을 가벼운 이온이 받아 운동의 진동수가 변한다. 그 결과 원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼선이 분리된다. 로렌츠는 가벼운 이온의 비전하 /는 가벼운 이온 전하의 절대값, 는 그 질량와, 밖에서 가해진 자기장의 크기와의 곱에 비례하는 양만큼 어긋난 진동수가 다시 가해지는 것을 발견하였다. 제만은 이에 따라서 비전하를 실험으로 결정하였다. 그 뒤 로렌츠는 빛의 굴절률에 관한 자신의 이론에서 /를 구하여, 제만의 측정값과 짜맞추어 와 를 따로따로 정하고, 이들 수치가 톰슨이 얻은 값과 정성적(定性的)으로 일치한다는 것을 제시하였다. 그리하여 원자 내에서 그 질량의 작은 부분을 차지하고 있는 데 불과하지만 원자로부터의 빛의 방출이나 원소의 화학적・물리적 성질을 정하는 데 있어서 중요한 역할을 하는 새로운 실체로서의 전자의 존재가 밝혀졌다.
방사능과 β선
1896년 A.H. 베크렐은 우라늄화합물이 에너지를 받아 들뜬 상태가 되어 방사선을 내는 현상에서 방사능을 발견하였다. 그 뒤 1900년에 방사선 가운데 비교적 투과력이 강한 전하를 가진 β선이 음극선 입자와 같은 것임을 확증하였다. 이 전자(또는 그 반입자인 양전자)는 핵외전자가 아니라 핵을 구성하는 중성자와 양성자가 전화할 때 생긴다(예를 들면 중성자 → 양성자＋전자＋중성미자). 1932년 중성자가 발견된 뒤에는 원자핵이 양성자와 전자의 결합상태이고, 그 전자가 β선으로서 방출된다는 생각이 잘못되었음이 밝혀졌다.
전자의 성질
1928년 P.A.M. 디랙은 전자가 따르는 상대론적 파동방정식으로 전자의 반입자인 양전자(陽電子)의 존재를 예언하였으며, 4년 후에는 실험으로 확인하였다. 이 이론에 따르면 전자는 고유의 각운동량 /2(＝/2π, 는 플랑크상수), 자기모멘트의 크기 /2(이것을 보어마그네톤이라 하고 μ로 표기하는 경우가 있다. 이 때 는 진공 속의 광속도)를 가지게 된다. 그런데 후자의 실험값은 〔표〕와 같이 조금 어긋나 있다. 이 어긋남, 즉 이상자기(異常磁氣) 모멘트는 전자가 광자(光子)의 구름에 둘러싸여 있다는 양자역학적인 효과에 의한 것으로 이해되며, 양자전자기역학에 따른 계산 결과와 일치한다. 계산적으로 전자는 나비를 갖지 않은 점입자(點粒子)로 간주되지만 이론과 실험적으로는 전자가 콤프턴파장(〔표〕 참조)과 비교하여 매우 작은 나비(10㎝)밖에 가질 수 없는 것을 나타낸다. 이는 양성자가 콤프턴파장 2.1×10㎝ 정도의 나비와 이상자기모멘트가 핵마그네톤 /(2) 단위이며(는 양성자의 질량) 1.79라는 큰 값을 가지는 것과 극히 대조적이다. 전자와 양성자의 전하 크기보다 작은 전기량은 발견되지 않았지만, 양성자 등을 구성하고 있는 기본적인 실체가 더 작은 전기량을 갖고 있다는 것이 이론적으로 제시되어 있다. 앞으로 고에너지의 소립자 반응에 대한 연구로 전자의 구조가 문제시되며, 전하의 소량성(素量性；기본량)에 관한 새로운 지식도 얻을 수 있으리라 생각된다.
양전자 (陽電子 positron)
전자의 반입자(反粒子). 오스트리아의 E. 슈뢰딩거와 독일의 W.K. 하이젠베르크에 의해 양자역학이 확립된 뒤, 영국의 P.A.M. 디랙은 스핀 1/2의 전자가 따를 것이라고 생각되는 상대론적 파동방정식을 연구하여 1928년 디랙방정식을 발견하였다. 이 방정식은 전자가 가진 자기모멘트를 정확히 이끌어내는 데 성공하였다. 그러나 이 방정식에 의해 음에너지의 해(解)가 존재한다는 사실도 동시에 알려졌다. 음에너지의 해를 허용하면 전자는 빛을 방출하여 어디까지라도 낮은 에너지상태로 전이할 수 있으므로 전자는 불안정해진다. 이 곤란을 피하기 위해, 디랙은 진공은 모든 음에너지상태가 전자로 충만되어 있는 상태라고 보는 가설을 세웠다. 전자는 동일한 상태에 2개 이상 들어 있을 수 없는 페르미-디랙통계에 따르므로 이 가설에 의해 전자는 음에너지상태로 전이할 수 없게 되어 안정해진다. 에너지를 외부에서 가해 이 진공의 음에너지상태의 전자를 양에너지 전자로 전이시키면 하나의 전자와 하나의 음에너지상태의 결손이 얻어진다. 음에너지상태로 충만된 상태가 진공이므로 이 결손은 그곳에 양전하를 가진 입자(양전자)가 존재하는 것과 같다고 디랙은 생각하였다. 이것을 디랙의 구멍이론이라고 한다. 앞서 서술한 과정을 전자・양전자의 쌍생성, 역과정(逆過程)으로는 쌍소멸이 된다. 디랙이 예언한 양전자는 1932년 미국의 C.D. 앤더슨에 의해 우주선(宇宙線) 속에서 발견되었다. 현재 장(場)의 양자론에서는 양・음에너지의 해는 각각 전자를 생성하는 연산자, 양전자를 소멸시키는 연산자라고 재해석함으로써 진공은 무한개의 전자로 충만되어 있다는 무리한 가정을 하지 않더라도 모순이 없는 이론이 세워졌다. 디랙의 구멍이론에서는 애매했던 양전자의 질량도 전자의 질량과 같다는 사실을 이끌어낼 수 있게 되었다. 오늘날 디랙의 구멍이론은 어떤 에너지준위 이하가 페르미입자로 충만되어 있는 상태에서 출발하여 그 상태로부터의 들뜸이나 그들 역학을 생각하게 함으로써 반도체나 원자핵 이론에서 유효하게 쓰이고 있다. 양전자단층촬영을 의학에 이용하기 시작했다.
양전자소멸법 (陽電子消滅法 positron annihilation)
양전자가 전자에 포획되어 소멸하고 대신에 광자를 방출하는 현상을 이용한 물성정보의 측정법. 물질 중에 양전자는 매우 짧은 시간 동안에 열에너지 정도까지 감속된 후, 바깥껍질전자나 금속의 전도전자와 쌍을 이루어 소멸(쌍소멸)한다. 이 현상을 양전자소멸 또는 소멸이라 한다. 전자쌍의 스핀이 반평행의 일중항상태에서는 2광자를 방출하고, 평행의 삼중항상태에서는 3광자를 방출한다. 기체 중에 형성된 포지트로늄(Ps)이 소멸하는 경우에 삼중항의 오르토상태의 수명(〜1×10초)은 일중항의 파라상태의 수명(〜1×10초)에 비해 3자리 길어진다. 절연성인 고체・액체 중에서는 오르토 Ps가 주변의 영향을 받아 완화현상을 나타낸다. 이 수명의 완화현상을 비롯해, 0.51MeV의 소멸선의 도플러폭이나 각도상관, 양전자 운동량의 요동 등에 관한 정보에서 여러 가지 물성정보가 얻어진다.
베타붕괴 (－崩壞 beta decay)
원자핵이 β선, 즉 전자 또는 양전자를 방출하고 다른 원자핵으로 변하는 현상. 일반적으로 β붕괴라고 쓴다. 원자핵 속의 양성자(p) 또는 중성자(n)가 양전자(e) 또는 전자(e)를 방출하고 중성자 또는 양성자로 변하는 일종의 호변(互變) 변화에 의한 현상이다. 이 때 질량은 거의 0이며 전하를 가지지 않은 또 하나의 입자인 중성미자가 방출된다. β붕괴에서는 붕괴시 질량수는 변하지 않고, 양자수를 나타내는 원자번호가 1개 증가 또는 감소한다. β붕괴과정을 식으로 나타내 보면 전자방출인 경우에는 n → p＋e＋이고, 양전자방출인 경우는 p → n＋e＋이다. 여기서 , 는 각각 중성미자, 중성미자의 반입자를 나타낸다. 원자의 내각(內殼)을 돌고 있는 전자를 원자핵이 흡수하는 전자포획도 β붕괴의 일종으로서, e＋p → n＋로 나타내진다. β붕괴를 일으키는 상호작용은 매우 작은 결합상수를 가지기 때문에 약한 상호작용이라고 한다. 이 상호작용의 또 한 가지 특징은, 공간반전(空間反轉)에 대하여 불변이 아니라 패리티보존법칙을 깨고 있다는 점이다. 자유로운 중성자는 반감기 11.7분으로 β붕괴를 일으키지만, 자유로운 양성자의 β붕괴는 에너지적으로는 금지된다. 인공적으로 만들어진 많은 원자핵은 β붕괴의 과정을 거쳐 안정된 원자핵으로 변해간다. β붕괴의 예를 질량수 =14인 경우에 대해 그림으로 나타냈다. C에서는 전자를 방출하고 O에서는 양전자를 방출하여 N의 바닥상태 또는 들뜬상태로 옮겨간다. β붕괴는 원자핵의 준위의 성질을 조사하는 데 사용되며, 또한 수명이 긴 것은 방사성동위원소로서 다양하게 응용된다.
전자껍질 (電子－)
화학적 방법으로는 더 이상 분할할 수 없는, 물질의 기본 단위입자. 원자의 어원은 그리스어로 ＜분할할 수 없는＞이라는 뜻의 (atomos)에서 유래한다. 화학원소는 각각 한 종류의 원자로 되어 있다. 원소의 종류는 원자번호로 나타낸다. 지구상에는 수소(1번)부터 우라늄(92번)까지 92종의 원소가 천연적으로 존재한다. 원자핵반응에 의해 만들어지는 인공원소에는 넵투늄(93번)부터 운닐헥슘(106번)까지 알려져 있으며, 또한 107, 108, 109 등의 원소들도 만들어졌지만 반감기가 매우 짧아 확인이 어렵다.
원자와 분자
같은 종류 또는 다른 종류의 원자를 조합 또는 결합하는 방법의 차이에 따라 매우 많은 종류의 물질이 만들어진다. 물질 중에서 독립된 입자로서 행동하는 원자의 집합체를 분자라고 한다. 수소분자 H나 산소분자 O와 같이 한 종류의 원자 몇 개로 이루어진 홑원소물질분자도 있지만 대부분은 물분자 HO, 암모니아분자 NH 등 두 종류 이상의 원자로 이루어진 화합물분자이다. 물질 1㏖에는 아보가드로수(약 6.0×10개)만큼의 분자가 들어 있다. 비금속원자로 이루어진 홑원소물질 및 화합물이나 유기화합물에서는 기체상태뿐 아니라 액체・고체에서도 구성단위로서 분자의 존재를 인정할 수 있지만, 이온결정・금속결정에서는 독립된 구성단위로 분자를 생각하는 것은 적절하지 않다. 주기성을 가지고 배열된 원자 또는 이온의 성질이 중요하기 때문이다.
원자의 구성요소
원자는 1개의 원자핵과 그것을 둘러싼 1개 또는 여러 개의 전자로 이루어진다. 원자핵의 양전하에 의해 그것을 상쇄하는 만큼의 전자가 정전기적 인력에 의해 끌어당겨져 중성원자를 만든다. 원자핵의 크기는 약 10m 정도인데 비해 전자군은 원자핵을 중심으로 지름 약 10m의 영역에 걸쳐 존재한다. 예를 들어 원자핵을 지름 약 7㎝의 야구공으로 확대해 보면 원자는 700m, 즉 야구장 전체가 들어갈 정도의 크기가 된다. 한편 원자핵의 질량은 전자의 질량에 비해 매우 크다. 가장 간단한 수소원자에서는 원자핵이 양성자 1개로 이루어지고 그 질량은 약 1.67×10㎏인데 이것에 비해 전자의 질량은 그것의 1/1840에 지나지 않는다.
원자번호와 질량수
원자핵은 양성자와 중성자로 이루어진다. 양성자와 중성자는 질량이 거의 같고, 핵자라고 총칭된다. 양성자는 양의 기본전하(素電荷)를 가지며 중성자는 전하를 갖지 않는다. 원자의 종류는 그 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 수에 의해 결정되는데 특히 양성자수가 중요하다. 즉 원자핵의 전하는 양성자수로 결정되고 그것에 의해 그 원자에 속하는 전자수가 결정된다. 원소의 화학적 성질은 거의 그 원자의 전자수에 의해 정해지므로 양성자수가 같은 원자는 동일한 화학원소에 속하게 된다. 이 때문에 양성자수는 원자번호와 일치한다. 양성자수와 중성자수의 합은 질량수라고 하며 원자질량단위(질량수 12인 탄소동위원소 C의 원자량의 1/12로 정의한다)로 나타낸 원자의 질량과 근사적으로 같다. 원자번호가 같고 질량수가 다른 원자를 동위원소(아이소토프)라고 한다. 또한 질량수가 같고 원자번호가 다른 원자를 동중원소(同重元素)라고 한다. 원자의 질량을 나타내는 데 흔히 사용되는 화학적 원자량이 일반적으로 정수값과 일치하지 않는 것은 천연으로 존재하는 원소가 질량수가 다른 여러 종류의 동위원소들의 혼합물이기 때문이다. 원자핵은 매우 좁은 장소에 큰 질량을 채운 극한적 고밀도상태이다. 원자핵을 형성하는 역할을 하는 것이 핵력(核力)이다.
원자의 에너지준위
원자핵의 양전하와 전자의 음전하 사이에 작용하는 정전기력에 의해 전자가 원자핵 주위를 궤도운동하는 것은 태양계에서의 행성의 운동과 비슷하지만 동일한 이론을 이용하여 이것을 설명할 수는 없다. 원자 중의 전자운동에 고전물리학을 적용하면 실험사실과 맞지 않는 여러 가지 곤란이 생긴다. 예를 들어전자기학 이론에 의하면, 하전입자가 호(弧)를 그리며 운동하면 전하에 가속도가 작용하기 때문에 전자기파가 복사(輻射)된다. 따라서 궤도전자는 점점 운동에너지를 잃고 궤도반지름이 축소되어 마침내 전자는 원자핵과 합체된다. 그런데 이 결론은 전자가 원자 중에서 일정한 운동상태를 유지하며 안정하게 존재하는 사실과 모순된다. 원자스펙트럼 등의 실험에 의하면, 원자 내의 전자는 원자의 종류에 따라 결정되는 띄엄띄엄한 불연속적인 운동상태밖에 취할 수 없다는 것이 알려져 있다. 이 띄엄띄엄한 불연속적인 상태(이산적 정상상태)를 에너지준위라고 한다. 방전관 속의 원자처럼 다른 전자의 충돌에 의해 자극을 받고 높은 준위로 전이한 원자는 낮은 순위로 되돌아올 때 두 준위 사이의 에너지차와 동일한 에너지를 전자기파(빛)의 형태로 복사한다. 이것이 원자의 선스펙트럼이다. 또한 안정한 상태(바닥상태)에 있는 원자에 연속스펙트럼을 지닌 빛을 비추면, 원자의 종류에 따라 고유한 띄엄띄엄한 불연속적인 파장의 빛만이 흡수되며 흡수스펙트럼이 관찰된다. 이것은 바닥상태에서 여러 가지 들뜬상태로의 전이가 빛의 흡수에 의해 일어나는 것을 나타낸다. 흡수되는 빛의 파장은 들뜬상태와 바닥상태의 에너지차와 같은 광자에너지를 가진 빛의 파장으로 한정된다. 원자 에너지준위의 존재나 에너지준위 사이의 전이를 취급하려면 원자 내의 전자운동에 미시적 세계의 역학, 즉 양자역학을 적용해야 한다.
양자역학의 구성
20세기 초에 E. 러더퍼드에 의해 원자핵의 존재가 확증되어 원자모형이 제창된 후, N.H.D. 보어는 원자 내의 전자궤도로서 특정한 각운동량을 가진 것만이 허용된다는 양자조건을 가정함으로써, 고전역학과 에너지양자의 사고방식을 절충한 이론(고전양자론)을 제창하여 원자스펙트럼에 관한 많은 현상을 설명하는 데 성공했다. 그러나 미시적 세계의 역학을 통일적으로 이해하게 된 것은 A. 아인슈타인과 L.V. 드 브로이에 의한 물질파의 개념과, M. 보른에 의한 파동함수의 해석 등을 거쳐 1925년 W.K. 하이젠베르크와 E. 슈뢰딩거에 의해 각각 독립적으로 확립된 양자역학이 출현한 후이다. 빛은 전자기파의 일종이지만 광전효과의 경우처럼 물질과 상호작용을 할 때 양자적인 행동을 한다. 또한 전자와 같은 미시적 입자는 전자선회절에서 볼 수 있듯이 파동성을 아울러 가지고 있다. 이와 같이 미시적 물질은 모두 입자와 파동의 이중성을 갖는다는 것이 20세기에 들어와 알려지게 되었다. 양자역학에서는 고전역학과는 대조적으로 원자내전자의 상태는 파동함수(상태함수)로 나타내고, 에너지・운동량 등의 역학적 양은 파동함수에 작용하는 연산자로 나타낸다. 이들 양 사이의 관계는 기초방정식인 슈뢰딩거의 파동방정식에 의해 나타낸다. 에너지와 기타 물리량이 취할 수 있는 값은 파동방정식에 적당한 경계조건을 주었을 때 방정식의 고유값으로서 얻어진다. 개개의 에너지 고유값에 대응하는 파동함수의 해(解)를 고유함수라고 한다. 공간의 각 점에서 전자가 존재하는 확률은 파동함수의 제곱으로 주어진다. 이와 같이 전자가 어느 시각에 어느 장소에 있느냐 하는 것은 양자역학에서는 일의적(一義的)으로 정해지지 않으며 확률만 정해질 뿐이다. 따라서 원자내전자의 운동상태를 나타내는 데 고전역학처럼 정해진 궤도를 생각하는 것은 잘못이며 상태함수의 제곱으로 나타낸 전자구름과 같은 묘상(描像)을 그리는 것이 적절하다. 그 구름의 농담(濃淡)은 그 장소에서 전자가 존재하는 확률의 크기를 나타낸다. 양자역학에 의하면 원자가 취할 수 있는 정상상태의 에너지값이나, 원자가 빛을 흡수하거나 복사하는 에너지준위 사이에서 일어나는 전이 발생의 난이도(難易度) 등을 일관된 이론체계 속에서 정확하게 계산할 수 있다.
원자의 전자껍질구조
원자내전자의 정상상태를 지정하는 데는 보통 4개의 양자수의 짝을 이용한다. 주양자수 에 의해 에너지의 크기가 대충 정해진다. 에너지가 가장 낮은(속박에너지가 큰) 쪽에서 높은 쪽으로 =1, 2, 3, …의 차례로 되어 있다. 방위양자수 은 전자의 각운동량의 크기를 나타내고 보통 =0, 1, 2, 3, …에 대응하여 고유상태를 s, p, d, f의 기호로 나타낸다. 하나의 각운동량을 지닌 상태는 자기양자수 (각운동량의 성분을 나타내는 양자수)으로 구별된다. 정해진 의 상태에 대해 허용되는 의 값은
－, －＋1, …, 0, …-1,
의 2＋1개이다. 즉, 자기장을 걸면 이 수만큼의 상태로 분리된다. 마지막으로 스핀양자수는 ＋1/2이나 －1/2을 취한다. 원자내전자는 바닥상태에서는 에너지가 낮은 안쪽의 상태부터 차례로 자리를 차지한다. 단, W. 파울리의 배타원리라는 법칙에 의해서 하나의 양자상태를 1개 이상의 전자가 차지하는 경우는 없다. 때문에 원자내전자는 그 수가 많아짐에 따라 에너지가 낮은 안쪽의 궤도부터 차례로 채워진다. 각 궤도의 수용능력은 1s오비탈에 2개(스핀＋1/2과 －1/2), 2s오비탈에 2개, 2p오비탈에 6개(=1의 궤도는 자기양자수의 차이에 의해 3개 준위로 나뉜다), 3s오비탈에 2개, 3p오비탈에 6개, 3d오비탈에 10개(=2의 궤도는 자기양자수의 차이에 의해 5개 준위로 나뉜다)로 정해진다. 주양자수가 같은 상태는 에너지에 대해 일괄적으로 취급할 수 있으므로 동일한 전자껍질로 분류된다. 이 1, 2, 3, 4, 5인 전자껍질을 각각 K, L, M, N, O껍질이라 한다. 각 전자껍질에 포함되는 상태수는 K껍질에 2개, L껍질에 8개, M껍질에 18개가 된다. 〔표〕에 원자번호 1〜54의 원소에 대한 원자의 전자배치를 나타냈다.
원자의 전자껍질 구조와 화학적 성질
이상과 같은 전자껍질구조를 이용하면 원소의 여러 가지 화학적 성질이 주기율에 따라 변하는 것을 잘 이해할 수 있다. 비활성기체원소인 헬륨 He, 네온 Ne, 아르곤 Ar 등에서는 각각 K껍질과 L껍질, M의 부껍질(3p오비탈까지)에 전자가 완전히 채워져 있기 때문에 화학적으로 비활성이다. 알칼리금속인 리튬 Li, 나트륨 Na, 칼륨 K 등은 채워진 껍질의 바깥껍질 중 s오비탈에 1개의 전자만이 있으므로 이온화에너지(전자 1개를 제거하는 데 필요한 에너지)가 특히 적고, 다른 원자에 전자를 주고 양이온이 되기 쉬운 성질이 있다. 한편 할로겐족인 플루오르 F, 염소 Cl, 브롬 Br 등에서는 비활성기체원자처럼 채워진 껍질을 만들려면 전자가 1개 부족하므로 전자를 받아서 1가의 음이온이 되기 쉬운 성질이 있다. 보통 어떤 원소의 원자 1개가 특정한 원자(수소원자를 표준으로 하여 1로 한다) 몇 개와 결합하는가를 나타내는 수를 원자가라 한다. 원자가는 원자 사이에 결합이 형성되는 메커니즘을 생각하는 기본이 되며, 원자의 가장 바깥껍질에 있으면서 화학반응에 관여하는 전자(원자가전자)의 수로 결정된다.
원자내전자의 속박에너지
우라늄이나 플루토늄을 사용한 원자로에서 생산되는 에너지를 일반적으로 원자에너지라고 하는 경향이 있지만, 원자로의 에너지는 원자핵분열(핵분열)에 의해 발생되는 것이므로 원자핵에너지(핵에너지)라고 하는 것이 옳다. 원자에너지는 오히려 화학반응에너지에 가깝다. 원자의 가장 바깥쪽에 있는 전자를 원자 밖으로 제거하는 데 필요한 에너지를 첫째이온화에너지라고 한다. 가장 큰 값을 갖는 것이 헬륨으로 24.58eV이고, 가장 작은 값은 세슘으로 3.9eV이다. 여기서 eV는 기본전하를 가진 입자가 1V의 전위차로 가속되었을 때 얻는 에너지인데 약 1.6×10J에 해당된다. 원자내전자 중에서 가장 큰 에너지로 속박되어 있는 것은 가장 안껍질(K껍질)의 전자이다. 천연원소에서는 우리늄의 K껍질 전자의 에너지가 가장 크고, 값은 약 1.16×10V이다. 이와 같은 안껍질준위의 에너지에 관한 지식은 원소의 특성X선이나 X선광전자스펙트럼의 측정으로 얻어진다.
연표
500 ~300 레우키포스・데모크리토스・에피쿠로스, 원자론적 자연철학을 제창
BC 80 경 루크레티우스, 장시 《물(物)의 본질에 대해》
AD 1774 A.L. 라부아지에, 질량보존의 법칙 발견
1799 J.L. 프루스트, 일정성분비의 법칙 발견
1803 J. 돌턴, 배수비례의 법칙 발견, 화학변화에 대한 여러 법칙을 원자론을 이용하여 설명, 원자기호를 만들고 원자량을 계산
1808 J.L. 게이 뤼삭, 기체반응의 법칙 발견
1811 A. 아보가드로, 분자설 발표
1859 J. 플뤼커, 음극선을 발견
1860 J.C. 맥스웰, 기체분자운동론 발표
1869 D.I. 멘델레예프, 원소주기율 발표
1895 W.K. 뢴트겐, X선 발견
1896 L. 볼츠만, 기체분자운동론 완성. P. 제만, 제만효과 발견
A.H. 베크렐・퀴리부부, 방사능 발견
1897 J.J. 톰슨, 전자의 비전하(e/m) 측정
1900 M.K.E.L. 플랑크, 양자가설 제창
1903 E.N. 러더퍼드・F. 소디, 원자핵의 방사성붕괴설 제창
J.J. 톰슨, 최초의 원자모형 제창
1905 A. 아인슈타인, 광전효과
1908 C.G. 바클라, 원소의 특성X선 발견. J.H.W. 가이거, 최초의 계수장치 발명. J.B. 페랭, 분자의 실재성 실증
1909 R.A. 밀리컨, 전자의 전하 측정
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1912 M. 라우에・브래그 부자, X선의 결정에 의한 회절현상 발견
1913 N.H.D. 보어, 원자모형과 고전양자론 제창J. 슈타르크, 슈타르크효과 발견
1914 J. 프랑크・G.L. 헤르츠, 전자충돌에 의한 원자의 들뜸 연구
1919 F.W. 애스턴, 질량분석기로 동위원소 연구. E.N. 러더퍼드, α입자의 충격에 의한 원자핵의 인공파괴
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1925 W. 파울리, 전자스핀의 개념 제창, 파울리의 원리 발견. G.E. 울렌벡・S.A. 하우트스미트, 원자스펙트럼의 다중항연구에 의한 스핀개념 실증. W.K. 하이젠베르크, 양자역학(행렬역학) 확립
1926 E. 슈뢰딩거, 양자역학(파동역학)의 이론 확립. E. 페르미・P.A.M. 디랙, 양자통계역학 창시
1927 ~28 C.J. 데이비슨・G.P. 톰슨, 전자선결정에 의한 회절 실증
1928 P.A.M. 디랙, 상대론적 양자역학 확립
1931 E.O. 로렌스, 사이클로트론 발명. W. 파울리, 뉴트리노(중성미자)의 존재 예언
1932 J. 채드윅, 중성자 발견. C.D. 앤더슨, 양전자 발견
1933 L.C. 폴링, 화학결합의 본성에 관한 연구
1934 E. 페르미, 중성자충격에 의한 원자핵 반응연구. 조리오 부부, 인공방사성원소 연구. 유카와 히데키[湯川秀俊], 핵력이론에 의해 중간자의 존재 예언
1938 O. 한, 우라늄 원자핵분열 발견
1940 E.M. 맥밀런, 초우라늄원소 발견. I.I. 라비, 원자선자기공명 발견
1947 도모나가 신이치로[朝永振一郞]・J.S. 슈잉거, 양자전자기역학 완성. W.E. 램, 수소원자의 램이동량 발견
1948 P. 쿠시, 전자의 자기모멘트 정밀측정
1949 A. 카슬레, 광펌핑법을 창안하여 양자전자공학의 기초 개척
1955 E.G. 세그레・O. 체임벌린, 반양성자 발견
1958 R.L. 뫼스바우어, 되튀김없는핵공명흡수(뫼스바우어효과) 발견
1960 C.H. 타운스 등, 레이저 실현
1963 M. 겔만, 강입자에 관한 쿼크모형 제창
1965 K. 시그반, X선광전자분광 정밀실험. N. 블룸버건・A. 숄로, 레이저분광법 개발
1967 S. 와인버그・A. 살람, 약한상호작용과 전자기적상호작용의 통일이론
1974 S.C.C. 팅・B. 리히터, J/ψ입자 발견
구멍이론 (－理論 hole theory)
전자의 상대론적 파동방정식은 에너지가 음(陰)의 해(解)를 지니는데, 그 해가 야기시키는 곤란을 피하기 위하여 영국의 물리학자인 P.A.M. 디랙이 제출한 이론. 디랙은 1928년에 상대론적 공변(共變)의 요청을 충족시키는 파동방정식(波動方程式；디랙방정식)을 발견하였다. 이것은 스핀 1/2의 입자를 설명하므로 전자의 기초방정식으로 간주되는 것으로 생각되었으나, 에너지가 음(陰)이 되는 해를 지니는 점이 문제였다. 자유전자의 경우 운동량이 , 에너지가 이 되는 해가 있다( 는 광속도, 는 전자의 질량). 이러한 상태에 있는 전자에 관해서는 그 속도의 방향으로 힘을 가하여 일을 해주면 에너지는 증가하게 마련이므로 운동량의 크기는 줄어드는 수밖에 없다. 이것은 운동량이 힘과는 역방향이고, 따라서 속도와도 반대방향이라는 사실을 의미하고 있다. 양(陽)에너지의 전자도 퍼텐셜의 높은 벽에 부딪치면 음에너지의 행동으로 변하게 된다(O. 클라인의 패러독스). 또한 수소원자는 전자가 전자기장(電磁氣場)과 상호작용을 하여 당장에 음에너지의 준위(準位)로 떨어져 버리기 때문에 안정되게 존재할 수 없게 된다. 구멍이론은 이러한 곤란을 피하기 위하여 1930년에 디랙이 제시한 것으로, 우리가 진공(眞空)이라고 부르는 것은 공허(空虛)한 것이 아니고 모든 음에너지 준위에 전자가 충만해 ＜음에너지 전자의 바다＞가 형성되어 있는 상태라고 본다. 거기에 양에너지의 전자가 오더라도 이것은 페르미(fermi)입자이므로 파울리의 원리(原理)에 묶여서 이미 점거되어 있는 음에너지 상태로 떨어질 수는 없다. 이리하여 세계의 안정성이 보장되는 것이다. 한편 양에너지 전자는 음에너지전자의 바다 속을 달려도 산란되지 않고 아무것도 만나지 않았던 것처럼 관성의 법칙에 따라 계속 달린다는 사실이 에너지와 운동량보존법칙으로 증명된다. 빛에 대해서도 마찬가지이다. 그런데 에너지 내지 운동량을 빨아들이는 물질이 개재되면, 고(高)에너지의 광자(光子:선)가 음에너지의 전자를 양에너지의 준위로 밀어올리는 일도 생긴다. 이리하여 음에너지전자의 바다에 생긴 구멍을 전자의 음전하(陰電荷)가 빠졌기 때문에 양전하로 보이고, 에너지도 양(陽)이 되어 운동량은 속도와 평행으로 보이며 그 질량은 전자와 똑같다. 다시 말해서 디랙의 이론은 전자와 전하의 부호(符號)만이 다른 양전자의 존재를 예언한다. 앞에서 말한 광자에 의한 전자의 밀어올림에 의해, 즉 선에 의해 음・양전자 1쌍이 만들어지는 것이다(전자쌍 생성이라고 한다). 양전자의 존재는, 1932년에 C.D. 앤더슨이 우주선(宇宙線)의 무상사진(霧箱寫眞) 속에서 비적(飛跡)을 발견하였는데, 1933년 P.M.S. 블라켓 등의 상세한 분석으로 확인되었다. 에너지의 물질로의 전화(轉化)에 최초의 예인 전자쌍 생성은 H.A. 베테와 W. 하이틀러 등에 의해 빈도가 계산되었으며, 졸리오퀴리 부부 등의 실험으로 확증되었다. 디랙의 구멍이론은 진공을 풍부한 실체로 봄으로써 전자의 양자역학을 본질적인 다체문제화(多體問題化)하여 전자 주위의 진공의 분극 등 발산의 곤란이라 불리는 새로운 문제를 제기하였다.
뉴트리노
렙톤(경입자)의 일종. 뉴트리노라고도 한다. 역사적으로는 붕괴 때에 에너지보존법칙을 설명하기 위해 도입되었다. 즉 붕괴 때에 나오는 전자가 연속스펙트럼을 가졌다는 사실에서는 에너지보존법칙이 성립하지 않는 것처럼 보이지만, 1930년 W. 파울리는 전기적으로 중성이며 질량이 0이거나 전자에 비해 훨씬 작은 입자가 전자와 함께 방출된다고 가정하면 에너지보존법칙이 성립한다는 것을 지적해 중성미자의 존재를 이론적으로 예언했다. 실험적으로는 1953년 미국의 F. 라이네스와 C.L. 코완이 검출했는데, 그들은 원자로에서 1초 동안에 1㎠당 10조 개가 방출되는 반전자중성미자()를 검출기 내의 양성자와 반응시켰다. 그 결과 1시간당 수개 정도의 반전자중성미자가 검출되었다. 이러한 중성미자의 구조는 확인되지 않고 있으며 다른 물질, 과거의 반응하지 않으므로, 1960년 이전의 과학자들은 이것을 대량으로 만들어 실험할 수 없기 때문에 약한 상호작용을 연구하는 데 큰 장애가 된다고 생각했다. 또 이들은 중성미자에는 원자핵의 붕괴에 따라 전자와 함께 나오는 중성미자()와 중간자의 붕괴에 따라 입자와 함께 나오는 중성미자()의 2종류가 있다고 알고 있었는데, 이 2종류가 같은 것인지 아니면 다른 것인지를 구별할 수가 없었다. 드디어 1960년 당시 콜롬비아 대학에 있었던 M. 슈바르츠가 L.M. 레더먼, J. 슈타인베르크와 함께 가속기(양성자나 전자 등의 입자를 광속 가까이까지 가속시킨 다음 여러 가지 대상물에 충돌시켜 입자의 붕괴 모습을 조사함으로써 그 성질이나 구조를 알아내는 실험 장치)를 써서 중성미자를 대량 만든다는 생각을 실험에 옮겼다. 이 실험은 1962년에 시작되었는데 당시 갓 완성된 세계 최대의 가속기 ＜AGS양성자싱크로트론＞으로 양성자를 15GeV까지 가속시켜 중성미자빔을 만드는 데 성공했다. 중성미자빔 발생에 성공한 이들은 이 빔을 써서 중성미자의 성질을 조사하는 실험에 착수했는데 와 가 같은 것인지를 해명하기 위해 입자와 함께 만들어진 이 중성미자빔이 알루미늄으로 만든 스파크챔버라 불리는 검출기를 통과하도록 만들었다. 만일 중성미자가 2종류라면, 이때 만들어지는 것은 입자뿐일 것이다. 실험결과 입자가 34개 만들어진 데 대해 전자는 하나도 만들어지지 않았다. 이로써 뉴트리노는 2종류가 존재한다는 것이 실증되었고 위 세 사람은 1988년 노벨물리학상을 받게 되었다. 또한 1989〜1990년에 걸쳐서 유럽소립자연구소와 미국의 SLC 등의 가속기에 의해 중성미자의 종류가 전자형, 뮤형, 타우형의 3가지뿐이라고 결정되었고 다른 소립자와 마찬가지로 그들의 반입자인 반중성미자가 각각 존재한다. 그러나 타우중성미자는 현재까지 실험으로는 검출되지 않고 있다. 현대 과학에서 중성미자는 우주론적으로 매우 중요시되고 있는데, 이 중성미자를 검출해 우주를 관측하려는 중성미자망원경도 발명되었다. 이 중성미자망원경은 별의 표면에서 나온 빛과 전파를 탐지하는 광학망원경이나 전파망원경과는 달리 별 속 깊숙이서 핵융합반응을 일으켜 방출되는 중성미자를 검출함으로써 별의 내부 정보를 알아내려는 것이다. 현재 이 망원경은 미국・일본・러시아・이탈리아 등 몇 군데밖에 존재하지 않는다. 그것도 빛이나 다른 전파의 간섭을 피하기 위해 호수나 광산 깊숙이 위치하는데 초신성을 검출한 일본 가미오카[神岡(신강)]지방의 중성미자망원경은 1500m지하의 폐광 속에 설치되어 있다. 이곳에서는 지구의 지층을 꿰뚫고 지구 반대편의 태양을 사진으로 찍는다. 태양이 핵융합할 때 중심부에서 방출된 중성미자는 태양과 지구를 뚫고 가미오카의 망원경에서 검출되는 것이다. 중성미자망원경의 효과는 이미 확인됐는데 관측된 마젤란성운 초신성 온도가 500조도(兆度)로 이론상으로 예측한 값과 일치했기 때문이다. 그러나 보다 중요한 것은 중성미자망원경으로 우주탄생 1초 후에 발생한 중성미자를 검출할 수 있으리라는 기대이다. 중성미자망원경이 개량되면 언젠가 태초의 영상을 볼 수 있을 것이라는 생각에서 중성미자천문학은 앞으로도 계속 각광을 받을 것이라 기대된다.
중간자 (中間子 meson)
소립자(素粒子) 가운데 질량이 전자・양자의 중간값을 가지는 것의 총칭. 메소트론이라고도 한다. 즉 소립자 가운데 스핀(플랑크 상수를 로 하고, =/2를 단위로 하는 자전 각운동량의 크기)이 정수(整數)이고 강한 상호작용을 하는 입자의 총칭이다. 대표적인 것은 일본의 유카와 히데키[湯川秀樹(탕천수수)]가 그 존재를 예언한 중간자로 ＋1, －1, 0의 전하(전기소량단위)를 가지는 3종류가 있는데 이와 같이 전하가 다른 것을 따로따로 세어 보면 이미 100종에 가까운 중간자가 발견되었다. 소립자는 물질의 가장 기본적인 구성요소로 생각되어 왔는데 그 중에서 강한 상호작용을 하는(서로 전기적으로 100배 정도의 강한 힘을 미침) 것을 강입자족이라 하며 소립자의 대부분을 차지한다. 강입자는 다시 스핀이 반정수(半整敷)인 중입자(대표적인 것은 양성자와 중성자)와 스핀이 정수인 중간자로 분류된다.
중간자 이론
원자핵 속에서 양성자・중성자를 결합하고 있는 힘(核力)을 매개하는 입자로서의 중간자 존재를 예상한 이론이다. 유카와이론이라고도 한다. 1935년 유카와는 이 중간자론을 발표하여 1949년 노벨물리학상을 수상하였다. 이미 1932년 전자와 함께 원자를 구성하는 원자핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 그런데 핵자를 결합시켜 원자핵을 만드는 새로운 힘, 즉 핵력은 하전입자 사이에 작용하는 쿨롱의 힘과 비교하면 세기가 100배 정도 크고, 원자핵 크기(10〜10㎝) 정도의 짧은 거리에서만 작용한다는 특징을 가지고 있어 그 본성은 당시 전혀 밝혀지지 않았다. 유카와는 핵력은 U입자라는 미지의 입자가 핵자 사이에서 교환됨으로써 생기는 것이라고 하였다. U입자가 거리 만큼 떨어진 2개의 핵자 사이에서 교환되면 핵력의 위치에너지는 기본적으로
로 나타낸다. 는 빛의 속도, 은 U입자의 질량인데, /＝로 두고, 원자핵의 크기로부터 〜2×10㎝를 취하면, U입자의 질량에너지는 〜100MeV이다. 즉 U입자는 전자와 핵자의 ＜중간＞ 질량을 가지게 된다. 는 U입자와 핵자의 상호작용 세기를 나타내는 결합상수로, 핵력이 강하므로 /는 큰값(강한 상호작용)을 갖는다. 유카와는 핵자가 방출하는 U입자가 전자와 중성미자(뉴트리노)로 붕괴된다고 보고 원자핵의 붕괴도 설명하려고 하였다. 이런 점에서 보면 유카와이론은 자연계의 여러 힘을 통일적으로 다루려는 소립자물리학 통일이론의 한 선구라고 할 수 있다. 1937년에 우주선(宇宙線) 속에서 발견된 〜100MeV입자가 유카와이론의 예상과는 달리 원자핵과 강한 상호작용을 하지 않는 점에서 사카다 쇼이치[坡田昌一(파전창일)] 등은 이 입자를 U입자와 다른 입자로 2종류의 중간자가 존재한다고 하였다(2중간자론, 1942). 핵력을 매개하는 중간자(파이온)는 1947년 우주선 속에서 발견되어 이듬해에 가속기를 이용하여 인공적으로 생성되었다. 중간자는 140MeV인데 중간자 가운데 가장 질량이 작다. 입자(뮤온)는 스핀이 1/2이므로 현재로는 중간자로 분류하지 않고 전자나 중성미자와 함께 소립자의 경입자(렙톤)족으로 분류한다.
중간자의 구조
중간자는 스핀 1/2의 입자 쿼크 q와 그 반입자(反粒子)인 반쿼크 가 결합한 상태이다. 쿼크・반쿼크 및 그것들 사이에서 교환되어 힘을 매개하는 글루온(gluon)은 ＜색전하(色電荷)＞라고 하는 양자수를 가지며 색전하에 의한 힘의 성질에서 중간자(일반적으로 강입자) 내부에 갇혀 있다고 보고 있다. 100종류나 되는 중간자의 여러 가지 성질은 그것들이 q와 q의 결합계라는 점에서 이해된다. 몇 가지 예를 들면 3종류의 중간자 , , (오른쪽 위는 전하 )는 스핀 와 패리티 가 공통(＝0)이고 〔표 1〕에 표시한 것처럼 질량도 거의 같다. 여기서 패리티 란 공간좌표를 반전시키는(우회전좌표계를 좌회전좌표계로, 또는 거꾸로 바꾼다) 경우 그 입자의 파동함수와 관계되는 부호를 말한다. 이와 같이 전하만 다르고 다른 성질은 동일한 중간자를 아이소 다중항이라 하는데, 정수나 반정수의 아이소 스핀 를 부여하고 전하 는 ＋/2부터 －＋/2에 이르는(2＋1)개의 값을 취한다. 정수 를 스트레인지니스 양자수라고 한다(나카노-니시지마-겔만의 법칙). 〔표 1〕에 표시한 가장 질량이 작은 중간자의 무리는 ＝0인 아이소 3중항 , ＝1인 아이소 2중항 ＝－1인 아이소 2중항 , ＝0인 아이소 1중항 인데, 이들 8개의 중간자는 ＝0가 공통이고 질량도 거의 같으므로 유니터리 8중항을 만든다고 한다. 〔표 2〕는 다음으로 질량이 작은 ＝1의 유니터리 9중항 중간자를 표시한다. 〔표 1〕과 〔표 2〕의 중간자는 질량이 작은 3종류의 쿼크 u, d 또는 s와 그 반쿼크 ū, 또는 가 궤도각운동량의 크기 0의 바닥상태에서 스핀 반평행 또는 평행으로 결합한 계(系)이다. 이와 같이 계통적으로 많은 중간자가 존재하는 것은 그것들이 q와 의 결합계라는 구조를 가지기 때문인데, 등의 양자수, 다중항의 형성, 질량・수명 등 여러가지 붕괴양식 등도 이 구조에서 이해된다. 1970년대에 접어들어 참(charm) 양자수 를 가지며 질량이 큰 쿼크 c와 ū, 또는 로 이루어지는 중간자(〔표 3〕의 D와 F), c와 그 반입자 의 결합계(〔표 3〕의 〜), 또한 질량이 큰 쿼크 b와 의 결합계로 볼 수 있는 중간자(〔표 3〕의 ) 등이 발견되었다. 중간자는 앞으로도 더 많이 발견될 것으로 기대된다. 또한 2개의 q와 2개의 결합계나 글루온만의 결합계도 중간자의 종류로 분류해야 하나 그것에 대한 확증은 아직 얻지 못하고 있다. 중간자가 원자핵에 흡수되면 그 질량에너지가 방출되어 원자핵은 많은 파편으로 파괴되는데 이 메커니즘을 이용하여 암세포를 파괴하는 등 의료면에 응용하려는 연구가 시작되고 있다.
[출처]http://blog.naver.com/csj_11?Redirect=Log&logNo=30034196466