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물리학의 세계 정리

원자모형▶ 돌턴 : 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 단단한 알갱이로 보았다. 같은 종류의 원자는 크기, 모양, 질량이 같고, 다른 종류의 원자는 다르다. 화학 반응에서는 원자의 배열만 변하고 원자가 또개지거나 새로 생기지 않는다.▶ 톰슨 : 전자를 발견함 원자를 이루는 요소가 양전하로 이루어진 물질이 원자 전체에 퍼져 있고, 여기에 음전하로 이루어진 물질이 박혀있는 모형을 제시(푸딩원자모형)▶ 러더퍼드 : 알파입자 산란실험을 통하여 원자핵의 존재를 알아내었다. 양전하를 가진 원자핵이 원자 전체에 퍼져 있는 것이 아니라 원자 중심에 작은 크기를 가지고 집중되어 있다는 것, 전자는 이들 주위를 돌고 있다.▶ 보어 : 러더퍼드의 모형을 개량, 원자의 중심부에는 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 궤도운동하고 있다. (원자구조와 원자스펙트럼의 이론에 근거)▶ 현재 : 원자핵을 양전하를 가진 점 입자로 생각, 이 주변에서 음전하를 가진 전자들이 상호작용한다. 전자의 위치와 운동량을 동시에 알 수 없고 전자가 특정한 위치에 존재할 확률분포함수만을 알고 있다. 따라서 전자를 원자 궤도를 도는 그림으로 그릴 수 없으며, 확률분포는 원자핵을 둘러싼 구름처럼 도식화 할 수 있다. 이것을 전자구름이라고 부르기도 한다.양성자▶ 양성자는 중성자와 함께 원자핵을 구성하는 입자이며, 양의 전하를 가지고 있다. 양성자의 전하량은 전자의 전하량과 비교했을 때 그 크기는 같으나 부호는 반대이고 전자 질량의 약 1836배에 해당하는 질량을 지닌 입자이다. 양성자는 소립자(쿼크)로 구성되어 있다.중성자▶ 중성자는 양성자(proton)와 함께 원자핵을 이루고 있는 핵자의 하나로서, 전하를 가지고 있지 않기 때문에 중성자라고 부른다.핵력이 가지는 특성으로 인하여 양성자 두 개는 서로 결합하지 못하기 때문에 중성자는 핵자들이 결합하여 핵을 이루는 데 없어서는 안되는 존재이다.중성자도 기본입자인 쿼크로 이루어져 있으며 유한한 크기와 내부구조를 가진다. 전기적으로 중성이지만 내부구조로 인하여 자기쌍정성 원리(임의의 물질 알갱이 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다는 내용)이다. 반면 슈뢰딩거는 파동역학이라는 것을 통해 양자세계를 충분히 이해할 수 있다고 주장했다.시뢰딩거 방정식전자의 파동성을 수학적으로 기술하는 방정식인 방정식, 이 방정식은 물리학계가 기존에 쌓아 놓은 분야인 파동역학을 이용해 보어의 양자 도약을 포함해 하이젠베르크가 행렬역학으로 설명했던 모든 내용을 전부 동일하게 유도해 낼 수 있었다는 엄청난 특징을 지닌다.근본부터 새로운 접근법인 하이젠베르크의 행렬역학을 새로 습득하는건 너무나 번거로운 일이었는데 시뢰딩거가 제안한 이 파동 방정식은 기존의 물리학에서 너무나 익숙하게 다뤘던 미분방정식을 활용하고 또한 생각의 출발선 자체가 많은 비약이 있었던 행렬역학과는 다르게 시뢰딩거 파동방정식은 단지 전자가 파동이구나 라는 생각만 받아들이면 되었다.오비탈오비탈 : 일정한 에너지의 전자가 원자핵 주위에 존재하는 확률을 나타내는 함수로 퀘도 함수, 또는 전자 구름이라고 한다.? 보어의 원자 모형에서는 전자를 입자의 운동으로 설명하였지만 현대 원자모형에서는 파동형으로 설명한다.? 파동성을 띠는 전자의 위치와 운동을 정확히 알 수 없어 원자핵 주위의 존재 확률로 나타낸다.? 전자를 발견할 확률이 90%가 되는 확률명이 오비탈의 경계면이다.? 오비탈의 종류? 다전자 원자의 선스펙트럼은 수소와 달리 훨씬 많은 수의 스펙트럼들이 관찰되고 가까이 무리를 지은 선들이 관찰되는데, 이는 하나의 전자껍질 속에 조금씩 다른 에너지 상태가 존재함을 의미한다.? 에너지 준위가 다른 오비탈의 종류는 s,p,d,f … 등으로 표시한다.? 오비탈을 표시할 때는 전자껍질에 해당하는 주양자수(n)와 오비탈의 종류를 같이 표시하고 오비탈 종류를 나타내는 부양자수(ㅣ)는 주양자수에 의해 제한적으로 존재한다.? ㅣ=0, … , (n-1)=n개 [ㅣ=0(s), l=1(p), l=2(d), l=3(f), … ]? S오비탈? 모양은 구형,? 모든 전자껍질에 존재한다.? 거리가 같으면 확률 무의미 했고 받아들여지지 않아 회의에 참석했던 과학자들은 불연속성을 대표하는 과학자들에게 손을 들어주었고 양자역학을 해석하는 방법은 결국, 코펜하겐 해석으로서 완결짓게 된다.슈뢰딩거 고양이 패러독스1935년 코펜하겐에서의 이분법적 사고의 함정을 꿰뚫는 논문하나가 슈뢰딩거를 통해발표가 되는데 이것이 슈뢰딩거의 고양이 패러독스 이다. 슈뢰딩거는 아주 단순한 사고 실험을 통해 코펜하겐 해석이 분리시켜놓은 거시세계와 양자세계를 이어버리는 놀라운 패러독스를 제안하게 되는데 실험내용은 다음과 같다.먼저 고양이를 담을 수 있을만한 박스를 구합니다. 이 박스에 미시 세계에서만 일어나는 현상인 방사성 붕괴를 일으키는 시료를 넣어둡니다. 이 시료가 1시간동안 방사성 붕괴를 일으킬 확률이 정확하게 50%라고 가정해봅시다. 만약 방사성 붕괴를 일으키게 되면, 시료 옆에 매달아 놓은 망치가 작동하게 되어, 망치에 의해 앞에 놓여진 독극물이 든 병이 깨지게 되어 고양이가 죽게 되는 실험장치입니다.고양이를 넣어두고 1시간이 지난 후 확인하면 고양이는 살이있을까? 죽어있을까? 이 시점에서 슈뢰딩거는 이렇게 이야기 합니다. 만일 코펜하겐 해석이 맞다면 그러니까 우리가 방사성 시료를 1시간동안 관측, 다시말해 측정하지 않는 다면 이 시료는 방사성 붕괴를 할 수도 안할 수도 있는 상태가 겹쳐서 존재하는 중첩원리가 적용될 것입니다. 그럼 이 실험장치에는 시료뿐만 아니라. 고양이 또한 죽어있는 상태와 살아있는 상태가 겹쳐서 존재하는 중첩원리가 적용될 것이라는 얘기가 된다는 말인데 이는 논리적으로 말이 안된다는 것을 지적한 것입니다. 다시말해 양자역학의 코펜하겐 해석은 틀렸다는 것을 꼬집은 논문이였던 것입니다.코펜하겐 해석보어, 하이젠베르크, 보른 등으로 대표되는 코펜하겐 해석은 보어의 상보성원리와 하이젠베르크의 불확정성 원리(Principle of Uncertainty)를 바탕으로 한다. 쉽게말해 원자를 들여다 볼 때 오로지 측정 가능한 것만 가지고 논의해야한다는 것이다.코펜하겐 해석에서 핵심은근 국제천문학회의 결정으로 퇴출되었다.태양에서 지구까지 평균 거리는 대략 1억 5000만 킬로미터이다. 이것을 천문단위(AU)라고 부르고 1AU = 1.5*10^8 Km라고 표현 할 수 있다. 그럼 태양계의 크기는 어떨까? 태양에서 해왕성까지 평균거리는 30AU 즉 45억 킬로미터이다.우리은하실제로 별들은 대부분 따로 있지 않고 수천 개가 모여서 이른바 별송이(성단)를 만든다. 그리고 이런 별송이들을 포함해서 엄청나게 많은 수, 보통 1000억 개가량의 별들이 모여서 은하를 만든다. 태양계가 속한 우리 은하, 이른바 미리내에는 무려 3000억 개의 별이 있으니 사실 우리 별, 태양은 3000억 개의 별 중 하나에 불과하다. 우리 은하에서 별사이의 평균거리는 5광년 정도이다.우리은하는 소용돌이치는 원반으로 반지름이 5만~6만 또는 7만~9만 광년이고 두께는 2만~3만 광년이다. 우리를 포함한 태양계는 은하의 중심에서 3만광년쯤 떨어진 변두리에 있다.우리은하는 소용돌이치는 팔이 두 개 있는데 태양이 속한 팔은 오리온 팔인데, 태양이 속하지 않은 다른 팔에서 해 바로 바깥쪽 부분을 페르세우스 팔, 안쪽의 부분은 사지타리우스 팔이라고 부른다. 그리고 우리은하는 가만히 있지 않고 스스로 돌고 있다.별의 탄생, 생애, 소멸우주에는 다양한 물질이 존재하는데 우주에 물질이 존재하는 양식은 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 스스로 빛을 내는 '별'이라는 양식이고, 다른 하나는 별이 아닌 것으로, 통틀어서 '별사이물질(성간물질)' 이라고 부른다. 대체로 기체나 먼지 같은 것들이므로 별사이먼지라는 표현을 쓰기도 한다.대체로 기체나 먼지 같은 것들이므로 별사이먼지라는 표현을 쓰기도 하는데 먼지의 성분은 70퍼센트가량이 수소이고 20~30퍼센트 정도는 헬륨이다. 그 다음으로는 탄소가 존재한다.별사이물질은 우주 전체에 넓게 퍼져 있는데, 어떤 경우에는 모여서 구름을 이루어 별구름(성운)이 된다. 기체 덩어리라 할 별구름은 별과 달리 스스로 빛을 내지 못하지만 별빛을 받으면 원자에서 전로 들어서 태양이 폭발한다면? 어떨까 태양 때문에 휘어져 있던 시공간이 제자리를 찾을거고 이 과정에서 파장이 생기고 지구는 그와 함께 공전 궤도를 벗어나게 될 것이다. 비치볼을 비유로 들어보자 만약 바닷물을 누르고 있던 비치볼이 터져버린다면 주변으로 잔물결이 퍼져 나가게된다. 이 잔 물결이 태양이 폭발하면서 우주 공간으로 퍼진 파장이고 이 파장을 ‘중력파’라고 부른다.앞서 중력파를 통해 검정구멍의 존재를 직접 확인 할 수도 있다고 했다. 중력파를 검출하려면 거대한 질량의 천체가 필요하고 중성자별과 연관이 된다. 검정구멍이 서로 충돌하여 방출된 중력파를 검출하였는데 그럼에도 불구하고 나타나는 효과는 매우 작다고 한다.우주의 역사빅뱅 우리가 살고 있는 우주의 역사 그 자체 이자 모든 것의 시작이 된 사건이다. 에너지 불균형에 의한 대폭발로, 직감조차 할 수 없는 찰나의 시간 동안 무수히 많은 일들이 일어났다. 플랑크 시간이라고 불리는 셀 수 없을 만큼 짧은 시간 동안 우주는 급격하게 팽창하기 시작하여 현재에 이르기까지 꾸준히 식어가며 수많은 물질과 에너지를 만들어 냈다.빅뱅이 시작된 순간으로부터 아주 짧은 시간인 10-44만큼의 시간인 플랑크 시간 동안 1032℃ 만큼의 온도(태양 중심부1600만도의 약 6조 x 1조배)를 가지고 있었다. 이윽고, 이 뜨거운 우주가 점차 식어가면서 자연스럽게 중력과 강력, 그리고 약력 전자기력이 순서대로 분리되면서 서로 속박하던 힘들이 분리되어 자유로워진 우주는 기존에 가지고 있던 팽창속도와는 차원이 다른 속도로 급격한 팽창이 일어나게 된다. 이 10-35초 부터 10-32까지의 급격팽창 기간을 인플레이션 시기라 부른다.이 시기에 형성되기 시작한 쿼크들과 전자 다양한 렙톤들은 서로 결합하지 못하고 표류해 다닐 수 밖에 없었다. 팽창이 꾸준히 진행되는 동안 우주는 계속해서 식어가게 되었고 1013℃까지 식게된 시점으로부터, 쿼크들은 서로의 짝을 맞춰 결합하기 시작한다. 이들은 곧 최초의 양성자와 중성자를 만들게 되며, 쿼크 사이를 .

자연과학| 2020.07.21| 27페이지| 5,000원| 조회(203)

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