최상의 답변
원자의 질량은 모든 양성자와 모든 중성자의 질량의 합입니다. 전자는 무시할 수 있습니다
수소 원자에는 단일 양성자와 단일 선택이 있고 중성자는 없습니다
그래서 수소 원자의 질량 = 양성자 1 개의 질량 + 하나의 전자
다른 모든 원소는 수소보다 양성자와 중성자를 더 많이 가지고 있습니다.
따라서 수소는 주기율표에서 가장 가벼운 원소입니다.
답변
원자는 작습니다. 정말, 정말 작습니다. 당신은 아마도 물질이이 작은 것들의 묶음으로 만들어 졌다고 들었을 것입니다. 육안으로는 볼 수 없다는 것도 알고있을 것입니다. 우리는 원자가 존재하고 서로 상호 작용하며 우리 세계를위한 빌딩 블록이된다는 생각을 믿어야합니다.
그러나 대부분의 사람들에게는 그것만으로 충분하지 않습니다. 과학은 우주의 신비를 풀기 위해 실제 관측을 사용하는 방식에 자부심을 느낍니다. 그렇다면 우리는 원자가 존재한다는 결론을 어떻게 내렸고이 작은 구조에 대해 무엇을 배웠습니까?
원자가 존재한다는 것을 증명하는 간단한 방법이있는 것처럼 현미경 아래에 두십시오. 그러나이 접근 방식은 작동하지 않습니다. 사실, 가장 강력한 광 초점 현미경조차도 단일 원자를 시각화 할 수 없습니다. 물체를 보이게하는 것은 가시 광선을 반사하는 방식입니다. 원자는 가시광 선의 파장보다 훨씬 작아서 둘이 실제로 상호 작용하지 않습니다. 다시 말해, 원자는 빛 자체에 보이지 않습니다. 그러나 원자는 우리가 볼 수있는 것들 중 일부에 눈에 띄는 영향을 미칩니다.
가시광은 개별 원자를 드러 낼 수 없습니다 (Credit : Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
가시광은 드러 낼 수 없습니다. 개별 원자 (Credit : Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
수백년 전 1785 년 네덜란드 과학자 Jan Ingenhousz는 그가 이해할 수없는 이상한 현상을 연구하고있었습니다. 그의 연구실에있는 알코올 표면에는 미세한 석탄 먼지 입자가 튀어 나오고있었습니다.
가장 강력한 광 초점 현미경조차도 단일 원자를 시각화 할 수 없습니다.
약 50 년 후 , 1827 년 스코틀랜드의 식물 학자 로버트 브라운 (Robert Brown)은 흥미롭게도 비슷한 것을 묘사했습니다. 그는 꽃가루 알갱이에 대한 현미경 훈련을 받았습니다. Brown은 일부 곡물이 작은 입자를 방출하는 것을 발견했습니다. 그런 다음 무작위로 떨리는 춤을 추면서 꽃가루 곡물에서 멀어 질 것입니다.
처음에 Brown은 입자가 실제로 알려지지 않은 유기체인지 궁금했습니다. 그는 살아 있지 않다는 것을 알았던 암석 가루와 같은 다른 물질로 실험을 반복했고 동일한 이상한 움직임을 다시 보았습니다.
과학이 설명을 제공하려면 거의 한 세기가 걸릴 것입니다. 아인슈타인이 등장하여이 특별한 유형의 움직임을 예측할 수있는 수학 공식을 개발했습니다. 당시에는 로버트 브라운 (Robert Brown) 이후 브라운 운동이라고 불 렸습니다.
아인슈타인의 이론은 꽃가루 알갱이의 입자가 주위를 이동한다는 것이 었습니다. 수백만 개의 더 작은 물 분자 (원자로 이루어진 분자)에 지속적으로 충돌했기 때문입니다.
원자가 분해 될 수 있다는 사실은 놀랍습니다. 특히 “원자”는 “보이지 않는”을 의미하기 때문입니다.
“그는 개별 물 분자가 먼지 입자에 미치는 영향이나 액체에 가해지는 것이 무엇이든간에 실제로 발생하는 것으로 보이는이 흔들리는 움직임을 설명합니다.”라고 Harry Cliff는 설명합니다. 런던 과학 박물관의 큐레이터이기도 한 케임브리지 대학교.
1908 년까지 계산을 뒷받침하는 관측 결과 원자가 실제라는 것이 확인되었습니다. 약 10 년 안에 물리학 자들은 더 나아갈 수있을 것입니다. 개별 원자를 떼어 냄으로써 내부 구조에 대한 감각을 얻기 시작했습니다.
원자가 분해 될 수 있다는 것은 놀라운 일이 될 수 있습니다. 특히 원 자라는 이름이 그리스어 “atomos”라는 용어에서 파생 되었기 때문입니다. , “보이지 않음”을 의미합니다. 그러나 물리학 자들은 이제 원자가 단단한 작은 공이 아니라는 것을 알고 있습니다. 그것들을 작은 전기“행성”시스템으로 생각하는 것이 좋습니다. 일반적으로 양성자, 중성자 및 전자의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 양성자와 중성자가 함께 시스템의 중심에“태양”또는 핵을 형성한다고 생각하십시오. 전자는 행성처럼이 핵을 공전합니다.
원자는 더 작은 입자로 구성됩니다 (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
원자는 더 작은 입자로 구성됩니다 (Credit : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
원자가 엄청나게 작 으면이 아 원자 입자는 훨씬 더 그렇습니다. 재미있게도 처음 발견 된 입자는 실제로 세 가지 중 가장 작은 입자 인 전자였습니다.
여기서 크기 차이를 이해하기 위해 핵의 양성자는 실제로 전자보다 약 1,830 배 더 큽니다. . 열기구 주위를 도는 작은 대리석을 상상해보세요. 이것이 우리가 여기서 이야기하는 종류의 불일치입니다.
이것은 최초의 입자 가속기 중 하나입니다
그런데 입자가 존재하는지 어떻게 알 수 있을까요? 답은 작지만 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 전자를 발견 한 영국의 물리학 자 JJ Thomson은 특히 눈길을 사로 잡는 방법을 사용하여 1897 년에 그 존재를 증명했습니다.
그의 특별한 장치는 Crookes 튜브라고 불 렸습니다. 모든 공기는 기계에 의해 빨려졌습니다. 그런 다음 튜브의 한쪽 끝에 음전하를가했습니다. 이 전하는 일부 전자의 튜브에 남아있는 가스 분자를 제거하기에 충분했습니다. 전자는 음전하를 띠기 때문에 튜브를 따라 다른 쪽 끝으로 날아갑니다. 부분 진공 덕분에이 전자는 큰 원자가 방해받지 않고 튜브를 통해 쏠 수있었습니다.
전하로 인해 전자가 실제로 매우 빠르게 움직였습니다. 초당 약 37,000 마일 (59,500km) 초당) – 맨 끝에있는 유리에 박살 내고 거기에있는 원자와 관련된 더 많은 전자를 두드리기 전까지. 놀랍게도이 놀랍도록 작은 입자들 사이의 충돌은 엄청난 에너지를 생성하여 환상적인 녹색-노란색 빛을 만들어 냈습니다.
몰타 십자 모양의 금속으로 된 Crookes 튜브 (Credit : sciencephotos / Alamy Stock Photo)
몰타 십자 모양의 금속으로 된 Crookes 튜브 (크레딧 : sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“이것은 최초의 입자 가속기 중 하나입니다.”라고 Cliff는 말합니다. “이것은 튜브의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전자를 가속하고 다른 쪽 끝에서 화면을 치고이 인광 빛을 발합니다.”
전자의 발견은 원자에 대해 더 많이 배울 수 있음을 시사했습니다.
Thomson은 실제로 자석과 전기장으로 전자 빔을 조종 할 수 있다는 것을 알았 기 때문에, 전자 빔이 이상한 광선이 아니라 하전 된 입자 여야한다는 것을 알았습니다.
그리고이 전자들이 어떻게 원자와 독립적으로 날아갈 수 있는지 궁금하다면, 그것은 이온화라고 불리는 과정 때문입니다.이 경우에는 전하가 그 전자들을 주변 공간으로 밀어 냄으로써 원자의 구조를 변화시킵니다.
사실 전자는 쉽게 조작되고 이동하여 전기 회로가 가능하기 때문입니다. 구리선의 전자는 한 구리 원자에서 다음 원자로 기차와 같은 운동으로 이동합니다. 이것은 전하를 전선을 통해 다른 쪽 끝으로 전달하는 것입니다. 다시 한 번 주목할 가치가있는 원자는 단단하고 작은 물질이 아니라 수정되거나 구조적 변화를 겪을 수있는 시스템입니다.
전자의 흐름 때문에 전구가 빛납니다 (Credit : Feng Yu / Alamy Stock 사진)
전자의 흐름 때문에 전구가 빛납니다 (Credit : Feng Yu / Alamy Stock Photo)
그러나 전자의 발견은 원자에 대해 더 많이 배울 수 있음을 시사했습니다. Thomson의 연구에 따르면 전자는 음전하를 띠고 있지만 원자 자체에는 전체 전하가 없다는 것을 알았습니다. 그는 음으로 하전 된 전자를 상쇄하기 위해 신비한 양으로 하전 된 입자를 포함해야한다고 생각했습니다.
그는 원자 내에 조밀 한 핵의 존재를 증명했습니다
20 세기 초에 실험을했습니다. Century는 이러한 양으로 하전 된 입자를 식별하고 동시에 원자의 태양계와 같은 내부 구조를 밝혀 냈습니다.
Ernest Rutherford와 그의 동료들은 매우 얇은 금속 호일을 가져다가 양으로 하전 된 방사선 광선 아래에 두었습니다. 작은 입자의 흐름. 포일이 얼마나 얇은지를 고려할 때 Rutherford가 생각했던 것처럼 대부분의 강력한 방사능은 바로 통과했습니다. 그러나 놀랍게도 일부는 다시 튀어 나왔습니다.
Rutherford는 금속 호일의 원자가 양전하를 띤 작고 조밀 한 영역을 포함해야한다고 추론했습니다. 다른 어떤 것도 방사능을 그렇게 강하게 반사 할 가능성이 없습니다. 정도. 그는 원자에서 양전하를 발견했고 동시에 전자가 아닌 방식으로 모두 단단한 덩어리로 묶여 있음을 증명했습니다. 즉, 그는 원자 내에 밀도가 높은 핵의 존재를 증명했습니다.
캠브리지의 물리학자인 James Chadwick은 중성자를 발견하기 위해 필사적으로 노력했습니다
그러나 여전히 문제가있었습니다. 이제 원자의 질량을 추정 할 수 있습니다. 그러나 핵의 입자가 얼마나 무거워 야하는지에 대해 알려진 사실을 고려할 때, 모두 양전하를 띤다는 생각은 말이되지 않았습니다.
“탄소는 6 개의 전자를 가지고 있으므로 핵에 6 개의 양성자가 있습니다. 6 개의 양전하와 6 개의 음전하가 있습니다.”라고 Cliff는 설명합니다. “하지만 탄소 핵은 양성자 6 개가 아니라 양성자 12 개에 해당하는 무게입니다.”
초기에는 다른 6 개 핵 입자가 양성자와 같은 질량을 가질 것이라고 생각했습니다. 중성 충전 : 중성자. 그러나 아무도 이것을 증명할 수 없습니다. 사실 중성자는 1930 년대까지 실제로 발견되지 않았습니다.
우리 주변의 모든 것은 원자로 이루어져 있습니다 (Credit : Magictorch / Alamy Stock Photo)
우리 주변의 모든 것은 원자로 구성되어 있습니다 (Credit : Magictorch / Alamy Stock Photo)
캠브리지 물리학 자 제임스 채드윅은 중성자를 발견하기 위해 필사적으로 노력했습니다. 그는 수년간 이론을 연구 해 왔습니다. 1932 년에 그는 돌파구를 마련했습니다.
1930 년대에 우리는 원자에 대해 많은 것을 알아 냈지만 아무도 원자에 대한 직접적인 이미지를 생성하지 못했습니다.
몇 년 전에는 다른 물리학 자들은 방사선을 실험하고있었습니다. 그들은 베릴륨 원자에서 러더퍼드가 핵을 발견하는 데 사용했던 것과 같은 양으로 하전 된 방사선을 발사했습니다. 베릴륨은 자체 방사선을 발산했습니다. 양전하도 음전하도 아니고 물질을 먼 곳까지 투과 할 수있는 방사선입니다.
이제 다른 사람들은 감마선이 중성이고 깊이 침투한다는 사실을 이미 밝혀 냈습니다. , 그래서 물리학 자들은 이것이 베릴륨 원자가 방출하는 것이라고 가정했습니다. 하지만 채드윅은 확신하지 못했습니다.
그는 새로운 방사선의 일부를 직접 생성하여 양성자가 풍부한 물질을 목표로 삼았습니다. 예상치 않게 양성자는 마치 같은 질량을 가진 입자에 부딪힌 것처럼 물질에서 멀리 떨어져 공중으로 날아갔습니다. 마치 스누커 공이 다른 스누커 공에 부딪히는 것과 같습니다.
감마 방사선은 양성자를 편향시킬 수 없습니다. 이런 식으로 채드윅은 여기서 문제의 입자가 양성자와 같은 질량을 갖지만 전하가 부족해야한다는 것을 깨달았습니다. 그들은 중성자였습니다.
원자의 모든 핵심 부분이 밝혀졌지만 이야기는 여기서 그치지 않습니다.
원자를 찌르면 원자가 어떻게 생겼는지 알아낼 수도 있습니다.
우리는 이전보다 원자에 대해 훨씬 더 많은 것을 알아 냈지만 여전히 시각화하기 어려웠습니다. 그리고 1930 년대에는 아무도 직접 이미지를 만들지 않았습니다. 많은 사람들이 자신이 거기에 있다는 것을 실제로 받아들이 기 위해보고 싶어하는 이미지입니다.
하지만 중요한 것은 Thomson, Rutherford 및 Chadwick과 같은 과학자들이 사용 했으므로 결국 이러한 이미지를 생성하는 데 도움이 될 새로운 장비의 길을 열었습니다. Thomson이 Crookes 튜브 실험에서 생성 한 전자빔은 특히 유용하다는 것이 입증되었습니다.
오늘날 유사한 빔이 전자 현미경으로 생성되며이 현미경 중 가장 강력한 것은 실제로 개별 원자의 이미지를 생성 할 수 있습니다. 이는 전자빔이 광선보다 수천 배 더 짧은 파장을 가질 수 있기 때문입니다. 사실 너무 짧아서 전자파가 작은 원자에 의해 편향되어 광선이 할 수없는 방식으로 이미지를 생성 할 수 있습니다.
런던 대학의 닐 스키퍼 (Neal Skipper)는 이러한 이미지가 특수 물질의 원자 구조를 연구하려는 사람들에게 유용하다고 말합니다. 예를 들어 전기 자동차 용 배터리를 만드는 데 사용됩니다. 원자 구조에 대해 더 많이 알수록 효율적이고 신뢰할 수 있도록 설계 할 수 있습니다.
원자력 현미경은 개별 원자를 보여줄 수 있습니다 (Credit : Flirt / Alamy Stock Photo)
원자력 현미경은 우리에게 개별 원자를 보여줄 수 있습니다 (Credit : Flirt / Alamy Stock Photo)
당신은 원자를 찔러서 원자가 어떻게 생겼는지 알아낼 수도 있습니다. 이것은 본질적으로 원 자간 력 현미경이 작동하는 방식입니다.
액체에서 가열하면 원자가 더 무질서한 구성을 갖는 것을 볼 수 있습니다.
아이디어는 분자 표면이나 물질 표면에 가까운 매우 작은 탐침. 이렇게 가까운 지점에서 프로브는 가리키는 모든 화학 구조에 민감 할 것이며, 프로브가 이동하면서 저항의 변화를 통해 과학자들은 예를 들어 개별 분자가 어떻게 생겼는지에 대한 이미지를 생성 할 수 있습니다.
최근 연구자들은이 방법을 사용하여 화학 반응 전후의 분자에 대한 멋진 이미지를 발표했습니다.
Skipper는 오늘날 많은 원자 연구에서 고압 상태에서 사물의 구조가 어떻게 변하는 지 탐구한다고 덧붙입니다. 또는 극한 온도가 적용됩니다. 대부분의 사람들은 재료가 가열되면 종종 팽창한다는 것을 알고 있습니다. 이제이를 가능하게하는 원자 변화를 감지 할 수 있습니다.
“액체에서 가열하면 원자가 더 무질서한 구성을 갖는 것을 볼 수 있습니다.”라고 Skipper는 말합니다. “구조지도에서 직접 확인할 수 있습니다.”
Skipper와 다른 물리학 자들도 1930 년대 채드윅이 처음으로 확인한 중성자 빔을 사용하여 원자에 대해 작업 할 수 있습니다.
당신은 식별 할 수 있습니다. 감마선의 에너지 만 감지하여 원자를 생성합니다.
“우리가하는 일은 물질 덩어리에 중성자 광선을 발사하는 것입니다. 그리고 나타나는 산란 패턴으로부터 여러분이 중성자를 산란하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 핵”이라고 그는 말한다. “산란을하는 물체의 질량과 대략적인 크기를 계산할 수 있습니다.”
그러나 원자가 항상 거기에 앉아 침착하게 안정되어 조사를 기다리고있는 것은 아닙니다. 때때로 그들은 썩어 가고 있습니다 – 이것은 그들이 방사성임을 의미합니다.
자연적으로 발생하는 방사성 원소가 많이 있습니다. 이 과정은 원자력의 기초를 형성하는 에너지와 핵폭탄을 생성합니다. 핵 물리학 자의 연구는 일반적으로 핵이 이와 같은 근본적인 변화를 겪는 반응을 더 잘 이해하려는 노력을 포함합니다.
우라늄 원자는 두 개로 나눌 수 있습니다 (Credit : Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
우라늄 원자는 두 개로 나눌 수 있습니다 (Credit : Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
감마선 연구를 전문으로하는 리버풀 대학교의 Laura Harkness-Brennan 원자. 특정 유형의 방사성 원자는 특정 형태의 감마선을 생성합니다. 즉, 감마선의 에너지 만 감지하여 원자를 식별 할 수 있습니다. 이것이 바로 Harkness-Brennan이 그녀의 실험실에서하는 일입니다.
우리는 원자가 무엇인지 알아 낸 것이 아니라 깨달았습니다. 그것들은 놀랍도록 복잡한 구조라는 것입니다
“당신이 사용하는 검출기의 유형은 방사선의 존재와 침착되는 방사선의 에너지를 측정 할 수있는 검출기입니다.”라고 그녀는 말합니다. “그리고 그것은 핵이 모두 특징적인 지문을 가지고 있기 때문입니다.”
방사선이 감지되는 영역에 모든 종류의 원자가 존재할 수 있기 때문에, 특히 어떤 종류의 대규모 핵 반응 이후에 어떤 방사성 동위 원소가 존재하는지 정확하게 알 수 있습니다. 이러한 종류의 탐지는 일반적으로 원자력 발전소 또는 원자력 재해가 발생한 지역에서 수행됩니다.
Harkness-Brennan과 그녀의 동료들은 현재 이러한 장소에 설치할 수있는 탐지 시스템을 개발하고 있습니다. , 특정 공간에 방사선이 존재할 수있는 3 차원. “당신이 원하는 것은 3 차원 공간을 이미지화하고 그 방, 그 파이프, 그것이 방사선이있는 곳이라고 말할 수있는 기술과 도구를 갖는 것입니다.”라고 그녀는 말합니다.
Given 원자가 얼마나 작은 지 우리가 얼마나 많은 물리학을 얻을 수 있는지는 놀랍습니다.
“구름 방”에서 방사선을 시각화하는 것도 가능합니다. 이것은 -40C까지 냉각 된 알코올 증기가 방사성 물질 주위의 구름 속에서 표류하는 특별한 실험입니다. 소스에서 멀리 날아가는 하전 된 방사선 입자는 알코올 분자에서 전자를 제거합니다. 이것은 알코올이 방출 된 입자의 경로 주변에서 액체로 응축되게합니다. 이러한 유형의 탐지 결과는 정말 놀랍습니다.
우리는 원자가 무엇인지 알아 낸 것이 아니라 놀라운 변화를 겪을 수있는 놀랍도록 복잡한 구조라는 것을 깨달았습니다. 당연히. 이런 방식으로 원자를 연구함으로써 우리는 기술을 개선하고 핵 반응의 에너지를 활용하며 우리 주변의 자연 세계를 더 잘 이해할 수있었습니다. 또한 우리는 방사선으로부터 자신을 더 잘 보호하고 극한 조건에 놓 였을 때 물질이 어떻게 변하는 지 발견 할 수있었습니다.
Harkness-Brennan은이를 잘 설명합니다.“원자가 얼마나 작은지를 감안할 때 우리가 얼마나 많은 물리학을 사용하는지 놀랍습니다. 벗어날 수 있습니다.”
우리 주변에서 볼 수있는 모든 것은이 작은 것들로 이루어져 있습니다. 그들이 모든 것을 가능하게하여 아래에 있다는 것을 아는 것이 좋습니다.