원자와 분자 & 기본입자 표준모형

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원자와 분자 & 기본입자 표준모형

 

물질의 기본 단위가 되는 원자는 화학적으로 분리되지 않는 최소 입자입니다. 원자는 양성자, 중성자, 전자의 서로 다른 3종류의 입자로 구성되어 있으며, 원자 중심의 원자핵은 양성자와 중성자로 구성됩니다. 그리고 원자핵 주위에 전자가 있습니다.

 

현대의 원자모형은 원자들이 나타내는 물리·화학적 성질을 설명하기 위해, 전자를 파동으로 간주하여 파동방정식을 꾸미고 이로부터 얻은 파동함수로 나타낸 원자모형이다. 허용되는 파동함수는 여러 가지가 얻어지는데 그 특징은 양자수에 의해 결정된다. 양자수는 파동함수의 에너지, 공간 모양 등을 결정하고, 파동함수의 제곱(Ψ²)은 임의의 공간에서 전자를 발견할 확률을 나타낸다.

 

하이젠베르크의 불확정성원리에 따르면 전자의 위치와 운동량을 동시에 알 수 없고 전자가 특정한 위치에 존재할 확률분포함수만을 알 수 있다. 따라서 전자를 원자 궤도를 도는 그림으로 그릴 수 없으며, 확률분포는 원자핵을 둘러싼 구름처럼 도식화할 수 있다. 이것을 전자구름이라고 부르기도 한다.

 

현대의 원자모형 (image : britannica)

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원자의 종류는 원자핵의 양성자 수에 따라 구분되며, 원자핵의 양성자 수가 같은 것들끼리 같은 원소로 묶이고, 원자번호로 구분됩니다. 예를 들어, 수소 원자는 원자핵에 양성자 한 개와 전자 한 개가 있고, 원자번호는 1입니다. 산소 원자는 원자핵에 양성자 8개와 전자 8개가 있고, 원자번호는 8입니다.

 

원자의 성질은 원자 번호, 즉 원소에 따라 결정됩니다. 즉, 양성자와 중성자의 수가 원소별로 다르기 때문에, 전자의 배열, 즉 전자껍질의 구성도 다르며, 화학적 성질, 물리적 성질 등도 다르게 나타납니다. 또한 원자는 다른 원자와 결합하여 분자를 형성할 수 있으며, 이러한 결합은 화학반응에서 중요한 역할을 합니다.

 

분자는 2개 이상의 원자가 결합하여 이루어진 입자입니다. 이러한 원자 결합은 전자를 공유하는 공유 결합이나 전자를 양도받거나 양도하는 이온 결합 등이 있으며, 원자와 달리 자체적으로 화학적 성질을 가지고 있습니다. 이는 분자 내에서 원자들이 가지는 전자의 수와 배치에 따라 달라집니다.

 

 

기본 입자(소립자)

 

기본 입자(elementary particle)는 자연을 구성하는 가장 기본적인 입자를 뜻한다. 즉, 원자의 양성자와 중성자도 쿼크라고 불리는 더 작은 입자로 구성되어 있다. 기본 입자에는 물질을 구성하는 쿼크와 렙톤 그리고 물질의 상호작용에 관여하는 보손입자가 있다.

 

쿼크 : 스핀이 1/2인 페르미온(페르미-디렉 통계를 따르는 입자)으로 up, charm, top, down, strange, bottom 6종류가 있다. 

 

렙톤 : 스핀이 1/2인 페르미온으로 electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tau, tau neutrino 6종류가 있다.

 

보손 : 스핀이  0, 1, 2 등의 정수 값을 가지며 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자로 파울리 배타원리를 따르지 않아 여러 입자가 동일한 상태에 겹쳐있을 수 있다. 보손에는 게이지 보손과 힉스 입자가 있으며, 게이지 보손에는 gluon, photon, Z boson, W boson이 있다. 힉스 입자는 스핀이 0인 보손으로 다른 기본 입자가 힉스 메커니즘을 통해 질량을 갖게 되는 과정에서 나타나는 입자이다.

 

 

표준모형(Standard Model)

 

입자 물리학에서의 표준모형은 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용에 대한 기술과 이에 따라 자연계의 기본입자를 구별하는 이론이다. 표준모형에는 페르미온이라고 부르는 스핀이 1/2인 기본입자가 12개 있으며, 여러 상호작용을 매개하는 게이지 보손과 스핀이 0인 스칼라 입자인 힉스입자가 있다. 

 

표준모형 (image : particleexperience)

 

반입자 포함 표준모형 (image : studiousguy)

 

반입자 : 보통의 입자와 질량과 스핀이 같고 전하 등의 내부 양자수가 반대인 입자를 말한다. 즉, 물리적 성질은 같으나 전하나 자기 모멘트의 부호가 반대인 입자로 대부분의 소립자는 반입자를 갖고 있는 것으로 알려져 있다.

 

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