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지금까지 전자들의 안정성과
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지금까지 전자들의 안정성과
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안정적인 껍질에서
전자의 배치에 대해 살펴봤습니다
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안정적인 껍질에서
전자의 배치에 대해 살펴봤습니다
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삶의 모든 것이 그렇듯이
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원자에 대해 좀 더 알아본다면
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원자 안에 전자만 있는 게
아니란 것을 알게 될 겁니다
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핵 자체도 나름의 상호작용과
불안정성을 갖고 있고
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어떤 식으로든
안정화되어야 합니다
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이것이 이 영상의 주제입니다
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이것이 이 영상의 주제입니다
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사실 자세한 내용은
1학년 화학의 범위 밖입니다
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하지만 이런 게 있다는 정도만 알아도
도움이 됩니다
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하지만 이런 게 있다는 정도만 알아도
도움이 됩니다
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나중에 강한 상호작용,
양자역학 등을 배우게 되면
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나중에 강한 상호작용,
양자역학 등을 배우게 되면
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양성자와 중성자,
이를 구성하는 쿼크들이
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어떻게 상호작용하는지
논의할 수 있을 겁니다
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어떻게 상호작용하는지
논의할 수 있을 겁니다
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일단 핵 붕괴의 종류를 알아봅시다
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일단 핵 붕괴의 종류를 알아봅시다
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양성자 여러 개가 있다고 합시다
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양성자 여러 개가 있다고 합시다
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중성자들도 있습니다
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중성자들도 있습니다
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중성자들도 있습니다
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중성자들도 있습니다
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양성자는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8개
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양성자는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8개
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중성자는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9개입니다
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이게 원자핵이라고 합시다
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사실, 원자에 대한
첫 영상에서 언급했듯이
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사실, 원자에 대한
첫 영상에서 언급했듯이
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실제 원자를 그리기는
매우 어렵습니다
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명확한 경계가 없기 때문이죠
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임의의 순간에 전자는
어디에나 있을 수 있습니다
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임의의 순간에 전자는
어디에나 있을 수 있습니다
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그러나 전자가 90% 확률로
존재하는 범위를
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그러나 전자가 90% 확률로
존재하는 범위를
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원자의 반경 또는
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지름으로 정합니다
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첫 영상에서 나왔듯이
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핵의 부피는 매우 작은 비율이고
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전자가 90%를 차지합니다
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따라서 우리가 살면서 보는 것들은
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그냥 빈 공간입니다
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그냥 빈 공간입니다
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그러나 그 매우 작은 부분이
-
그러나 그 매우 작은 부분이
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원자 부피의 매우 작은 비율임에도 불구하고
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질량의 대부분을 차지합니다
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이를 확대해 놓은 것이
이 그림입니다
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이것들은 원자나 전자가 아닙니다
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핵이죠
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가끔 핵이 불안정한 경우
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안정한 배치로 가려고 합니다
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안정한 배치로 가려고 합니다
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불안정한 핵의 조건에 대해서는
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깊이 들어가지 않을 겁니다
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더 안정한 핵이 되기 위해서,
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α입자를 방출하는
경우가 있습니다
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이를 α붕괴라 합니다
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이를 α붕괴라 합니다
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원자핵은 α입자를 방출하죠
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멋진 이름입니다
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하지만 중성자와 양성자의
모음일 뿐입니다
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α입자는 중성자 2개와
양성자 2개로 이루어져 있습니다
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예를 들어 여기 있는 모음이
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예를 들어 여기 있는 모음이
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방출된다고 해봅시다
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핵을 떠나는 겁니다
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이제 원자에 어떤 일이 생길지
생각해봅시다
-
이제 원자에 어떤 일이 생길지
생각해봅시다
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E라는 원소를 가정해봅시다
-
E라는 원소를 가정해봅시다
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양성자 p개를 갖고 있다고 해보죠
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양성자 p개를 갖고 있다고 해보죠
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양성자 p개를 갖고 있다고 해보죠
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질량수는 양성자 수＋중성자 수입니다
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질량수는 양성자 수＋중성자 수입니다
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질량수는 양성자 수＋중성자 수입니다
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α붕괴를 거치면 어떻게 될까요?
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α붕괴를 거치면 어떻게 될까요?
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양성자 수는 2개 감소합니다
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양성자 수는 p－2가 되죠
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중성자도 2개 감소합니다
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따라서 질량수는 4 감소합니다
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즉 p－2＋n－2＝p＋n－4입니다
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즉 p－2＋n－2＝p＋n－4입니다
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질량수가 4 감소하고
-
새로운 원소로 바뀝니다
-
원소의 종류는
양성자 수로 결정되기 때문이죠
-
원소의 종류는
양성자 수로 결정되기 때문이죠
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따라서 α붕괴에서는
양성자와 중성자가 2개씩 감소하고
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특히 양성자 수가 감소하므로
-
원소가 바뀝니다
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처음 원소를 E₁,
-
나중 원소를 E₂라 합시다
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그리고 양성자 2개, 중성자 2개를
가진 입자를 방출합니다
-
그리고 양성자 2개, 중성자 2개를
가진 입자를 방출합니다
-
그리고 양성자 2개, 중성자 2개를
가진 입자를 방출합니다
-
입자의 질량은 양성자 2개와
-
중성자 2개의
질량일 겁니다
-
즉 질량수 4인 입자를
방출하는 겁니다
-
즉 질량수 4인 입자를
방출하는 겁니다
-
이 입자는 무엇일까요?
-
이 입자는 무엇일까요?
-
이 입자는 무엇일까요?
-
주기율표를 찾아보면
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양성자 2개인 원소는
헬륨입니다
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질량수는 4죠
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α붕괴에서 방출되는 입자는
He 핵입니다
-
α붕괴에서 방출되는 입자는
He 핵입니다
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α입자가 곧 He 핵인 것이죠
-
α입자가 곧 He 핵인 것이죠
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또한 두 양성자를 상쇄시킬
전자가 없기 때문에
-
또한 두 양성자를 상쇄시킬
전자가 없기 때문에
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He 이온입니다
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전자가 없고 양성자 2개를 가지므로
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전하량이 ＋2입니다
-
전하량이 ＋2입니다
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정리하면 α입자는 He의 2가 양이온이고
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안정한 상태가 되기 위해
핵에서 자발적으로 방출됩니다
-
안정한 상태가 되기 위해
핵에서 자발적으로 방출됩니다
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다른 종류의 붕괴에 대해서도
알아봅시다
-
다른 종류의 붕괴에 대해서도
알아봅시다
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새로운 핵을 그려 보죠
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중성자들과
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양성자들이 있습니다
-
양성자들이 있습니다
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가끔 중성자들은 자기 자신에
대해 불만족스러워합니다
-
가끔 중성자들은 자기 자신에
대해 불만족스러워합니다
-
양성자들의 하루 일과를 보면서
이렇게 말하죠
-
양성자들의 하루 일과를 보면서
이렇게 말하죠
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"나는 정말로 양성자가
되어야 할 것 같아"
-
"나는 정말로 양성자가
되어야 할 것 같아"
-
"만약 내가 양성자라면
핵이 더 안정해질 거야"
-
"만약 내가 양성자라면
핵이 더 안정해질 거야"
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중성자들은 전기적으로 중성이므로
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양성자가 되기 위해
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전자를 방출합니다
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아마 여러분들은
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중성자 안에 전자가 있는지
헷갈릴 겁니다
-
중성자 안에 전자가 있는지
헷갈릴 겁니다
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충분히 이해합니다
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받아들이기 어렵죠
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나중에 핵 안에 무엇이 있는지
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공부하게 될 겁니다
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일단은 전자를 방출할 수
있다고 생각합시다
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중성자가 전자를 방출합니다
-
중성자가 전자를 방출합니다
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전자의 질량은 0이라 합시다
-
실제로 0은 아니지만
-
원자질량단위로 봤을 때
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양성자가 1이면
전자는 1/1,836입니다
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따라서 대략 0이라 해도
무방합니다
-
따라서 대략 0이라 해도
무방합니다
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정확히 0은 아니지만요
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전하는 －1입니다
-
만약 전자가 원자라면
-
원자번호 －1이 될 겁니다
-
어쨌든 전자를 방출함으로써
-
중성이었던 중성자가
-
양성자로 바뀝니다
-
양성자로 바뀝니다
-
이를 β붕괴라 합니다
-
이를 β붕괴라 합니다
-
β입자는 방출한 전자입니다
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핵 반응식을 써 봅시다
-
원소 E에는
양성자 p개와
-
중성자 N개가 있습니다
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둘을 더하면 질량수가 됩니다
-
둘을 더하면 질량수가 됩니다
-
β붕괴를 거치면
어떤 일이 일어날까요?
-
양성자 수는 바뀌었나요?
-
1개가 더 늘어났습니다
-
중성자 하나가 양성자로 바뀌었으니까요
-
따라서 양성자 수는
p＋1입니다
-
질량수는 바뀌었나요?
-
질량수는 바뀌었나요?
-
중성자는 1개 감소하고
-
양성자는 1개 증가합니다
-
따라서 질량수는 그대로입니다
-
p＋N이죠
-
α붕괴와 다르게
질량은 그대로이지만
-
원소가 바뀝니다
-
양성자 수가 바뀌니까요
-
따라서 β붕괴에서도
-
새로운 원소가 나옵니다
-
이제 다른 상황을 생각해 봅시다
-
양성자 하나가 중성자를 보고
이렇게 말합니다
-
양성자 하나가 중성자를 보고
이렇게 말합니다
-
"중성자의 삶은
-
매력적인 것 같아"
-
"나는 중성자 역할이 더 맞을 것 같고
-
내가 중성자라면
-
핵이 더 안정해질 거야"
-
핵이 더 안정해질 거야"
-
따라서 양성자는 어떤 확률로
-
따라서 양성자는 어떤 확률로
-
양전자를 방출합니다
-
양전자를 방출합니다
-
양전자가 무엇일까요?
-
양전자는 전자와 정확히 같은
-
질량을 갖습니다
-
양성자의 1/1836이죠
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원자질량단위로 거의 0이므로
-
질량수 0으로 취급합니다
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그러나 전하량은 ＋1입니다
-
여전히 e로 표기하므로
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헷갈릴 수 있습니다
-
전자도 e로 표기하니까요
-
그러나 e로 표기하는 것은
전자와 완전히 같은 입자이기 때문입니다
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음전하 대신
양전하를 가질 뿐이죠
-
음전하 대신
양전하를 가질 뿐이죠
-
그래서 양전자입니다
-
그래서 양전자입니다
-
지금 나오는 입자나 현상들이
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낯설게 느껴질 겁니다
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하지만 실제 일어나는 현상입니다
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양성자가 양전자를 방출하면
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양전하도 같이 나가므로
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중성자가 됩니다
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이를 양전자 방출이라 합니다
-
"양전자 방출"이란 이름 속에
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내용이 다 들어가 있죠
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그럼 양성자 p개, 중성자 N개인 원소 E가
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양전자 방출을 거치면
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어떤 원소가 될까요?
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양성자가 하나 감소하므로
양성자 수는 p－1입니다
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그 양성자는 중성자가 되므로
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p는 1 감소하고
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N은 1 증가합니다
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따라서 질량수는 그대로입니다
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p＋N이죠
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하지만 원소는 바뀝니다
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β붕괴에서는 양성자 수가 증가해서
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β붕괴에서는 양성자 수가 증가해서
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주기율표의 오른쪽으로,
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즉 원자번호가 증가했지만
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양전자 방출에서는
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양성자 수가 감소합니다
-
양성자 수가 감소합니다
-
양성자 수가 감소합니다
-
그리고 양전자 하나가 나오죠
-
그리고 양전자 하나가 나오죠
-
β붕괴에서는 전자 하나가 남습니다
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두 과정은 완전히 같지만
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β붕괴에서는 전하량 －1의
전자가 나오고
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양전자 방출에서는 전하량 ＋1의
양전자가 나옵니다
-
양전자 방출에서는 전하량 ＋1의
양전자가 나옵니다
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이제 마지막 하나 남았습니다
-
이제 마지막 하나 남았습니다
-
핵 속의 양성자나 중성자 수를
바꾸진 않지만
-
핵 속의 양성자나 중성자 수를
바꾸진 않지만
-
엄청난 양의 에너지를 방출합니다
-
즉 고에너지 광자죠
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이를 γ붕괴라 합니다
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γ붕괴에서 핵자들은
재배치됩니다
-
γ붕괴에서 핵자들은
재배치됩니다
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그 과정에서, 진동수가
굉장히 큰 전자기파 형태로
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에너지를 방출합니다
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이 전자기파를
γ입자 또는 γ선이라고 합니다
-
이 전자기파를
γ입자 또는 γ선이라고 합니다
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에너지가 매우 높죠
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여러분이 γ선에 노출되면
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죽을 수도 있습니다
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지금까지 이론적인 얘기만 했는데
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실제 문제를 다뤄보면서
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더 알아보도록 합시다
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여기 질량수가 7인
Be-7이 있습니다
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여기 질량수가 7인
Be-7이 있습니다
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이것이 Li-7으로 바뀝니다
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무슨 일이 일어난 걸까요?
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핵의 질량은 그대로이지만
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양성자가 4개에서 3개가 됐습니다
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양성자 수가 감소했지만
-
전체 질량은 그대로입니다
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따라서 α붕괴는 아닙니다
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α붕괴는 핵에서
헬륨 하나가 빠져나가니까요
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α붕괴는 핵에서
헬륨 하나가 빠져나가니까요
-
여기선 무엇이 방출되나요?
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양전하 하나가 방출되므로
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양전자를 방출한 겁니다
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여기 써 있죠
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양전자가 방출되었습니다
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따라서 Be-7이 Li-7로 변하는 이 붕괴는
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양전자 방출입니다
-
양전자 방출입니다
-
다음 예제를 봅시다
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U-238이 Th-234로 붕괴합니다
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원자량이 4 감소하고
-
원자번호, 즉 양성자 수는
2 감소합니다
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원자번호, 즉 양성자 수는
2 감소합니다
-
따라서 여기서는
원자량 4이고
-
원자번호 2인 입자,
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즉 He이 방출됩니다
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따라서 이는 α붕괴입니다
-
여기 있는 게 α입자고
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이것이 α붕괴의 예시입니다
-
여기서 여러분은
한가지 의문이 들 겁니다
-
여기서 여러분은
한가지 의문이 들 겁니다
-
양성자가 92개에서 90개로 줄어도
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전자는 여전히 92개입니다
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따라서 원자는 －2의
전하를 띠어야 합니다
-
또한 방출된 헬륨은
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전자가 하나도 없는
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헬륨 핵입니다
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＋2의 전하를 띠어야 하죠
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이런 의문이 들었다면,
아주 정확합니다
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그러나 실제로는
붕괴가 일어날 때
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토륨이 두 전자를 방출합니다
-
토륨이 두 전자를 방출합니다
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그리고 토륨은 중성이 됩니다
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헬륨도 마찬가지입니다
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전자 두 개를 얻어
안정해지려는 성질이 강해서
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어딘가에 충돌하자마자
전자 두 개를 뺏어 옵니다
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그렇게 안정한 상태가 되죠
-
그렇게 안정한 상태가 되죠
-
다른 예제를 봅시다
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아이오딘이 있습니다
-
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어떤 일이 일어나는지 봅시다
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질량수는 변하지 않습니다
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따라서 양성자가 중성자로 변하거나
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중성자가 양성자로 변한 겁니다
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그런데 붕괴 전에는 양성자 53개이고
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붕괴 후에는 54개입니다
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따라서 중성자가 양성자로 변한 겁니다
-
따라서 중성자가 양성자로 변한 겁니다
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그리고 중성자가 양성자로 변할 때
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전자를 방출합니다
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이 반응식은 그 과정을 나타내고 있습니다
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전자가 방출되었으므로
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β붕괴입니다
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이것은 β입자입니다
-
이것은 β입자입니다
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여기서도 비슷한 의문이 생깁니다
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양성자가 53개에서
54개로 증가했는데
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양전하를 띠어야 하는 것 아닌가요?
-
양전하를 띠어야 하는 것 아닌가요?
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아마 그럴 겁니다
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그러나 즉시 전자를 얻습니다
-
반드시 방출했던
전자일 필요는 없지만
-
어디선가 전자를 취하고
-
다시 안정해집니다
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그 사이의 짧은 시간 동안은
이온으로 존재합니다
-
그 사이의 짧은 시간 동안은
이온으로 존재합니다
-
예제를 하나 더 봅시다
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원자번호 86인 Rn-222가
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원자번호 84인 Po-218로
붕괴하는 과정입니다
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잠깐 재미있는 이야기를 해보죠
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폴로늄은 폴란드의 이름에서 유래했는데
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퀴리 부인이 살던 당시
즉 1800년대 말에는
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폴란드는 독립 국가가 아니었습니다
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폴란드는 독립 국가가 아니었습니다
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프러시아, 러시아, 오스트리아에 의해
분할 점령되어 있었죠
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폴란드 사람들은 자신들이 한 민족임을
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세계에 알리고 싶었습니다
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따라서 퀴리 부인이
Po을 발견했을 때
-
따라서 퀴리 부인이
Po을 발견했을 때
-
조국 폴란드의 이름을 따
폴로늄이라 명명했습니다
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새 원소를 발견하면
명명할 권리가 주어집니다
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원래 문제로 돌아가서
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어떤 일이 일어났나요?
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질량수는 4 감소했고
-
원자번호는 2 감소했습니다
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따라서 He 입자가
방출되었어야 합니다
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질량수 4, 원자번호 2인
He 핵이 방출됩니다
-
질량수 4, 원자번호 2인
He 핵이 방출됩니다
-
따라서 이는 α붕괴입니다
-
따라서 이는 α붕괴입니다
-
He 핵은 전자가 없고
-
Po 원자는 전자가 많은데
-
각각 전자를 얻거나 방출해서
-
안정한 상태가 됩니다
Khan Academy
