heegyu/kowiki-sentences huggingface dataset:
그러나 앞서 언급했듯이, 원자량과 표준 원자량은 단일 핵종 원소가 아닌 원소 샘플의 동위 원소 존재도에 대한 평균치인 것이다.
그런 식으로, 원자량과 표준 원자량은 대개 원자 질량 이나 상대 동위 원소 질량과는 수치적으로 다르며 이 값들이 통일된 원자 질량 단위로 표현되지 않았을 때 원자 질량과는 다른 단위를 가질 수 있다.
원자 질량은 한번에 하나의 동위원소 또는 핵종의 원자의 질량으로 정의되며 존재도에 대한 가중 평균치가 아니다.
그러므로 화학 원소의 동위 원소나 핵종의 원자 질량 또는 상대 동위 원소 질량은 매우 정밀하게 측정할 수 있는 숫자이다.
그러한 핵종의 모든 시료들은 다른 시료들과 정확하게 동일할 것으로 예상되고 같은 에너지 준위의 모든 원자들의 핵종에 대한 모든 시료들 또한 다른 시료들과 정확히 동일할 것으로 예상되기 때문이다.
단일 핵종 원소이거나 하나의 주요 동위 원소를 갖는 많은 원소의 경우, 가장 일반적인 동위 원소의 원자 질량과 (표준) 상대 원자 질량 또는 (표준) 원자량 간의 실제 수치 유사성 또는 그 차이는 작거나 심지어는 없으며 대부분은 계산에 영향을 미치지 않는다.
그러나 이러한 오류는 단일 핵종으로 고려하지 않을 때 존재할 수 있으며 중요할 수도 있다.
하나 이상의 동위 원소를 갖는 비(非) 단일 핵종 원소들의 경우에는 상대 동위 원소 질량으로부터 상대 원자 질량(원자량) 간의 수치적 차이는 질량 단위의 절반 이상일 수 있다(예컨대, 염소 (원소)의 경우에는 원자량과 표준 원자량은 거의 35.45 이다). 드물게 동위 원소의 원자 질량은 상대 원자 질량, 원자량 또는 표준 원자량과 조금 다를 수 있다.
핵자간 결합 에너지로 인한 질량 결함은 실험적으로, 동등한 수의 자유 핵자들의 질량 합 보다 작은 비율(1% 미만)이다.
대부분의 원자들의 결합에 대한 질량의 결함은 매우 작은 부분이다.
자유로운 양성자들과 중성자들은 매우 작은 질량 차이가 있다(대략 0.00014u). 원자 질량 단위로 주어진 상대 동위 원소 질량이나 원자 질량을 가장 가까운 자연수로 반올림하면 항상 핵자 수 또는 질량수가 산출된다.
덧붙여, 중성자의 수는 질량수(핵자 수)에서 양성자 수(원자 번호)를 차감하여 도출 할 수 있다.
원자 질량 결함과 결합 에너지 곡선.
또한 핵의 질량은 양성자와 중성자를 합한 것보다 작다는 것이다.
결손된 질량에 빛의 상수를 제곱한 값을 곱하여 에너지 단위("E"="mc"2)를 산출해낸다면, Δ"c"2 가 되고 이것이 핵의 결합 에너지이다.
결합 에너지를 핵자의 수에 대하여 정규화한다면, 아래의 식으로 표현할 수 있다.
formula_2핵자의 수에 대한 결합 에너지의 곡선은 작은 원자 질량에서는 가파르게 상승한다. 40 이상의 질량수를 가지는 핵은 9 MeV 조금 아래까지 완만하게 상승하다가 56Fe 원소에서부터 점차 감소함을 알 수 있다.
결합 에너지 생성에 대해서는 두가지 부류가 있다.
두 개의 가벼운 핵이 결합되어 결합 에너지 곡선에서 더 높은 결합 에너지를 가지는 무거운 핵을 만드는 핵융합 반응과 하나의 무거운 핵으로부터 각 핵당 높은 결합 에너지를 가지는 두 개의 가벼운 핵을 만드는 핵분열 반응이다.
질량수에 대한 원자 질량(단위: Da)의 비율은 탄소-12의 경우 1 로 정의되고, 그 이후로 최저치인 56Fe까지 감소한다(58Fe 과 62Ni 만 조금 더 큰 값을 가진다.). 그 후, 무거운 동위 원소들은 원자 번호가 증가함과 동시에 그 값 또한 증가한다.
이 결과로부터, 지르코늄보다 무거운 원소의 핵분열은 에너지를 만들어 내고, 나이오븀보다 가벼운 원소들은 에너지를 필요로 한다.
다른 한편으로는 스칸듐보다 가벼운 원소 2 개의 핵융합(헬륨은 제외)은 에너지를 만들어 내고, 칼슘보다 무거운 원소들은 에너지를 필요로 한다.
원자들의 질량에 대한 비교와 측정은 질량 분석법(, MS)을 통해 이루어진다.
원자 질량 단위와 그램 사이의 환산인자.
1 몰의 물질은 항상 그 물질의 몰 질량 또는 원자량을 거의 정확하게 포함한다.
그러나 자연 발생 원소인가에 따라서 원자 질량은 그렇지 않을 수 있다.
그러나, 지구상에서 찾을 수 있는 오직 하나만의 동위 원소를 가지는 22가지의 단일 핵종 원소(일반적으로, 베릴륨, 플루오린, 나트륨과 알루미늄)들과 이 원소들의 원자량과 원자 질량은 같다.
따라서 이러한 원소들은 원자 질량 값의 표준 기준으로 사용할 수 있다.
단일 원자에 대하여 원자 질량 단위와 국제단위계 사이의 환산식은 다음과 같다.
분자(分子, )는 두 개 이상의 비금속 원자가 화학 결합에 의해 전기적으로 전하를 띄거나 중성을 띄는 원자 그룹으로, 물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 단위 입자로서 정의된다.
비활성 기체처럼 원자 하나로 이루어진 원자 그룹을 의미하기도 한다.
분자라는 개념을 처음 제안한 것은 아보가드로로서 그의 분자설은 아보가드로의 법칙으로 나타난다.
대부분의 분자는 너무나도 작아서 사람의 육안으로 보이지 않는다.
가장 크기가 작은 분자는 이원자 분자인 수소(H2)로 원자간의 결합 간격은 0.74 옹스트롬이다.
일반적으로 유기 합성을 위하여 쓰이는 분자의 크기는 몇 안 되는 Å부터 수십 Å에 이른다.
단일 분자는 위에서 언급한 바와 같이 빛으로 관찰할 수 없으나 소분자와 각 원자의 윤곽은 원자간력 현미경을 이용하여 일부 환경에서 추적해 낼 수 있다.
분자라는 용어는 대개 기체상태로 존재하는 작은 규모의 공유 결합 그룹에서만 적용되는데, 이는 질소(N2), 산소(O2), 염소(Cl2)의 경우처럼 홑원소로 존재할 수도 있고, 물 분자(H2O)처럼 서로 다른 원소끼리 결합하여 분자를 이룰 수도 있다.
단백질이나 DNA처럼 분자의 크기가 매우 큰 것은 고분자로 분류되며, 다이아몬드의 경우처럼 탄소 원자간의 공유 결합이 끊임없이 이어져 통째로 하나의 분자로 존재하는 경우도 있다.
수소 결합(얼음 등)이나 이온 결합(염화 나트륨, 염화 칼슘 등)과 같은 비공유결합에 의해 결합된 경우 분자라고 부르지 않고 화학식 단위(formula unit)라고 칭한다.
흔히 생화학에서는 대부분의 생체 분자들이 유기 화합물에 속한다.
지각, 맨틀, 그리고 지구의 핵을 구성하는 친숙한 고체 물질들의 대다수는 많은 화학 결합들을 포함하지만, 그의 대다수가 연속적인 결정구조를 가지고 있지 않다.
비록 이것들이 종종 평면적인 분자(그래핀 등)나 입체적인 분자(다이아몬드, 석영, 염화나트륨 등)의 형태로 일시적으로 반복되는 결정구조를 포함하고 있더라도 말이다.
이것은 반복되는 결합 구조를 가지는 고체 금속이라도 그것이 분자로 이루어져 있지는 않다는 것을 의미한다.
또한 유리(혹은 유리와 같은 비결정질의 고체)에서는 원자들이 특정한 배열구조를 가지지 않고 무작위로 결합하고 있다.
프랑스어의 molécule(미립자,원자)라는 단어에서 유래된 말을 18세기 후반까지 오직 라틴어 형식으로 사용하여 molecula(질량, 장애물)로 불렀으며, 처음에는 모호한 의미였지만 단어의 유행은 르네 데카르트의 철학으로 거슬러 올라간다.
분자의 정의는 분자의 구조에 대한 지식이 쌓이는 만큼 발전해왔다.
분자에 대한 부족한 지식은 분자를 그들의 구성과 화학적 성질들을 유지하는 순수한 화학 물질의 가장 작은 입자라는 다소 정확성이 떨어지는 정의를 내렸다.
예를 들어 바위, 소금, 금속 같은 평범한 경험에서의 물질들이 화학적으로 결합한 원자나 이온의 큰 결정계로 구성되어 있으나 분자들로 이루어져있지는 않다는 것이 밝혀진 이후로 초기 분자의 정의에 대한 신뢰도가 떨어졌다.
분자들은 공유 결합이나 이온 결합에 의해 결합되어 있다.
비금속 원소의 몇몇 종류만이 보통의 조건에서 분자 상태로 존재한다.
예를 들어 수소(H)는 주변에 반응물이 없는 상태에서 항상 수소 분자(H2)로만 존재한다.
화합물의 분자는 두 종류 이상의 원소들로 구성되어있다.
결합의 종류마다 결합의 세기나 유연성 등이 다르다.
예를 들면 이온 결합에 비해 공유 결합은 강력한 결합을 보여준다.
이 다양한 결합으로 다양한 물질들이 생기는 것이다.
공유 결합은 주로 비금속 원자들 사이에 전자쌍을 공유하여 궤도를 안정시키려고 하는 결합으로, 이러한 전하쌍은 공유전자쌍 또는 결합쌍이라고 불린다.
주변 환경으로부터 각 원자간의 안정적인 에너지 균형을 이룬 상태에서 전자를 공유할 때 공유 결합이라고 불린다.
이온 결합은 상대적인 전하를 띤 이온들 간의 정전기적 인력을 포함한 화학 결합의 한 종류이자 이온결합 화합물에서 발생하는 주요 상호작용이다.
이온들에는 양이온이라 불리는 하나 이상의 전자를 잃은 원자들과 음이온이라 불리는 하나 이상의 전자를 얻은 원자들이 있다.
이 전자의 이동은 공유 결합 원자가의 반대로 이온 결합 원자가라고 불린다.
가장 간단한 경우로, 양이온은 하나의 금속 원자이고 음이온은 하나의 비금속 원자이다.
예를 들어 암모늄 이온(NH4+)이나 황산염(SO42-) 같은 분자 이온들이 있다.
더 간단히 말해서, 이온 결합은 양 원자들이 모두 완전히 전자가 껍질을 채우기 위한 금속에서 비금속으로의 전하들의 이동이다.
분자의 화학식은 각 원자의 원소기호, 원소나 원자의 수(이것처럼 아래첨자로 표기), 분자가 전하를 띌 경우 위첨자로(필요할 경우는 전하의 숫자도 함께 붙여서) +와 -같은 기호들을 표기한다.
실험식은 화학식의 가장 간단한 종류로, 화합물을 구성하는 원소들의 정수비를 최소로 줄인 것이다.
예를 들어, 물은 항상 수소 원자와 산소 원자가 2:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식을 H2O로 쓸 수 있다.
그리고 에탄올은 항상 탄소, 수소, 산소가 2:6:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식은 C2H6O로 쓸 수 있다.
그러나 이것은 분자의 종류를 확실하게 결정하지는 않는다.
예를 들어 디메틸에테르 또한 화학식이 C2H6O로, 에탄올과 같은 정수비를 가지고 있다.
이처럼 화학식은 같으나 배열 구조가 다른 분자들을 이성질체라 부른다.
또한 아세트산과 모든 단당류는 화학식이 Cn(H2O)m으로 분자 내에서 탄소, 수소, 산소가 항상 1:2:1의 고정된 비율로 구성되어있어 실험식이 모두 CH2O로 동일하나 단당류를 구성하는 총 원자의 수는 각자 다르다.
분자식은 분자를 구성하는 원자들의 정확한 수를 반영한다.
이성질체들은 다른 분자들이지만 같은 원자 구성비를 가질 수도 있으며, 실험식은 종종 분자식과 같지만 항상 그런 것은 아니다.
예를 들어 아세틸렌은 분자식C2H2를 갖지만 가장 간단한 원소의 정수비는 CH이며, 위에서 말햇듯이 아세트산(C2H4O2)과 단당류의 실험식은 모두 CH2O로 포름알데히드와도 같다(여기서 아세트산과 포름알데히드는 단당류로서의 성질을 갖지 않는다).
분자량은 종종 화학식으로부터 계산할 수 있고, 탄소-12의 원자량의 1/12과 동일하게 편리한 원자량 단위로 표기된다.
고체 결합에서, 화학식 단위라는 용어는 화학량적인 계산에서 사용된다.
구조식은 3차원적인 모양의 복잡한 구조를 갖는 분자들, 특히 네 개 이상의 다른 치환기와 결합한 원자들은 간단한 분자식에서는 그 분자의 구조를 정확하게 표현할 수 없다.
구조식은 결국 1차원의 화학식으로 설명되지만 그러한 화합물 명명법은 많은 단어들과 화학식의 부분이 아닌 용어들을 필요로 한다.
시성식은 분자의 특징적인 구조를 적절한 위치에 따로 표기하는 화학식으로, 분자의 특성을 확실히 알 수 있도록 작용기나 치환기 등을 강조하여 나타낸 식이다.
예를 들어 아세트산(C2H4O2)의 시성식은 산으로서의 작용기인 카복시기(-COOH)를 따로 표기하여 H3CCOOH와 같이 나타낸다.
초점이 화학에 있느냐 물리학에 있느냐에 따라 분자의 과학은 분자 화학 또는 분자 물리학이라 불린다.
분자 화학은 이온 결합을 형성하고 분해시키는 분자 사이의 상호작용을 지배하는 법칙들을 다루는 반면에 분자 물리학은 그들의 구조와 속성을 지배하는 법칙들을 다룬다.
그러나 사실 이 구분은 모호하다.
분자 과학에서, 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 상태로 구성되어 있다.
다원자성 이온들은 가끔 전기 전하를 띤 분자로서 유용하게 생각될 때가 있을지도 모른다.
불안정한 분자라는 용어는 매우 반응적인 종류에서 사용된다.
즉, 전자들과 자유 라디칼, 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 판데르발스 힘 또는 보스-아인슈타인 응축에서와 같은 충돌하는 원자들의 시스템인 핵들의 오래가지 못하는 집회(공명)이다.
분자들은 진동하고 회전하는 운동을 통해 계속적으로 진동하는 것에 대해서 결합길이와 결합각에 고정된 평형 기하학적 구조를 가지고 있다.
하나의 순수한 물질은 같은 평균 기하학적 구조의 분자들로 구성되어 있다.
분자의 화학식과 구조는 그 특성, 특히 반응성을 결정하는 두 중요한 요인들이다.
이성질체들은 하나의 화학식을 공유하지만 그들의 다른 구조 때문에 보통 매우 다른 특성을 가지고 있다.
이성질체의 특정한 종류인 입체 이성질체는 매우 비슷한 이화학의 특성과 동시에 다른 생화학적 활동들을 가지고 있을지도 모른다.
분광 화학은 에너지(혹은 진동수)라고 알려진 면밀한 신호와 상호작용하는 분자들의 반응을 다룬다.
분자들은 에너지를 흡수하거나 방출하는 행위를 통하여 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석될 수 있는 정량화된 에너지 준위를 가지고 있다.
분광 화학은 일반적으로 중성자나 전자 또는 고에너지의 엑스선과 같은 미립자들이 보통의 분자배열(결정에서처럼)로 상호작용하는 회절연구에 나타나있지 않다.
마이크로파 분광학은 주로 분자의 회전에서의 변화를 측정하고 외부의 공간에서 분자를 확인하기 위해서 사용될 수 있다.
적외선 분광법은 늘어남, 구부림, 비틀림 등의 운동을 포함한 분자의 진동에서의 변화를 측정한다.
이것은 분자에서의 결합 또는 작용기의 종류를 확인하기 위해서 주로 사용된다.
전자의 배열에서의 변화들은 자외선의 볼 수 있는 근적외선 빛에서 흡수선 또는 방출선을 만들고 색을 방출한다.
핵 공명 분광법은 실제로 분자에서 특정한 핵들의 환경을 측정하고 분자에서 다른 위치에 있는 원자들의 수를 특징짓기 위해서 사용될 수 있다.
분자물리와 이론 화학에 의한 분자 연구는 크게 양자역학을 기반으로 하고 화학 결합을 이해하는데 필수적이다.
분자들 중 가장 간단한 것은 수소 분자 이온 H2+이고 모든 화학 결합들 중 가장 간단 한 것은 일전자 결합이다.
수소 분자 이온(H2+)은 양전하를 가지는 두 개의 양성자와 음전하를 가지는 전자로 구성되어있다.
이것은 계에서 슈레딩거 방정식이 전자와 전자의 반발의 부족 때문에 더 쉽게 해결될 수 있다는 것을 의미한다.
빠른 디지털 컴퓨터의 발달으로 더 복잡한 분자들을 위한 거의 정확한 해결책이 가능해졌고 컴퓨터 화학의 주요 양상들 중 하나이다.
원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정적이던지 아니던지 엄격히 정의하려고 할 때, IUPAC은 이것이 “적어도 하나의 진동상태를 제한하기에 충분히 깊은 퍼텐셜 에너지 표면에 있는 저기압에 일치해야만 한다.”고 제안한다.
이 정의는 분자 사이의 상호작용의 본질에 따르지 않고 오직 상호작용의 세기에 따른다.
사실, 이것은 전통적으로 He2와 같은 분자로서는 정의되지 않는 약한 결합 종들을 포함한다.
이것은 하나의 진동하는 속박상태를 가지고 있으며 매우 헐겹게 묶여 있어서 매우 낮은 기온에도 관찰될 수 있다.
원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정한지 안정하지 않은지는 본질적으로 사용가능한 정의이다.
그러므로 철학적으로, 분자는 기본적인 독립체가 아니다(예를 들어 반대로 소립자에 대해) 오히려, 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세상에서 원자 크기의 상호작용의 세기에 대한 유용한 상태를 만드는 화학자의 방법이다.
물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다.
다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, (반응물의 질량) = (결과물의 질량) 이란 수식을 만족한다.
질량 보존 법칙은 비상대론적인 법칙이며, 상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다.
상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.
이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다.
하지만 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 질량이 에너지로도 변환될 수 있다.
1. 물질은 완벽하게 보존되지 않는다.
물질 보존의 법칙은 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하지 않은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다.
그것은 특정 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다.
보존의 개념에 특정한 어려움은, ‘물질’이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다.
그리고 물질들이 ‘물질’이라고 생각될 때, (예를 들어 전자나 양전자) 등은 광자를 생성하기 위해 없어진다. (광자는 종종 물질로 생각되지 않는다) 그러면 물질의 보존은 고립계에서도 참이 되지 않는다.
그러나, 물질 보존은 방사능과 핵반응이 포함되지 않는 화학 반응에서 안전하게 추정될 수 있다.
물질이 보존되지 않더라도, 계 안에서의 질량과 에너지의 총 합은 보존된다.
2. 열린계와 열역학적으로 닫힌 계
또한 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다.
계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 그런 예다.
그러나, 다시 말하지만 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 도망가는 열, 일, 전자기적 방사선은 계의 질량의 감소로 측정하기에는 사실 너무 작다.
고립계에서의 질량 보존 법칙 (질량과 에너지가 전부 닫힌계) 은 어떤 관성계에서 봐도 계속 현대 물리학에서 참으로 여겨진다.
이것의 이유는, 상대성 방정식이 심지어 ‘질량이 없는’ 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보이기 때문이다.
질량 (물질이 아니지만)이 에너지가 도망가지 않는 계의 과정에서 엄격하게 보존되도록 허락한다.
상대성 이론에서는, 다른 관찰자들이 주어진 계에서의 보존된 특정 값에 동의하지 않을 수 있다.
그러나 각각의 관찰자들은 이 값이 시간에 따라 변하지 않는다는 것에 동의할 것이다. (계가 모든 것에 대해 고립되어 있다면)
일반 상대성 이론에서는, 팽창하는 부피의 우주에서 광자의 변치 않는 총 질량은 적색 이동 때문에 감소할 것이라고 한다.
그래서 질량과 에너지의 보존은 이론에서 에너지로 만들어진 다양한 수정들에 의존한다.
그러한 계들의 변하는 중력 퍼텐셜 에너지 때문이다.
원자론(原子論)은 모든 물질이 원자로 구성되어 있다는 이론이다.
이 이론은 우리 주변에서 볼 수 있는 물질에 대해서는 들어맞는다.
그러나 엄격하게 말하면 플라스마 또는 굉장히 높은 압력을 받는 입자들에는 들어맞지 않는다.
과학 분야(물론 근대과학 이전의 고대 그리스 철학자들에 의해 이미 원자론이 주장된 바 있다.)에서 원자론을 최초로 제기한 이는 18~19세기의 영국의 화학자 존 돌턴으로 알려져 있다.
돌턴의 원자설은 '질량 보존의 법칙', '정비례의 법칙'을 설명하기 위해 세워진 돌턴의 학설로서 오늘날의 원자론의 바탕이 된다.
돌턴은 각 기체를 구성하는 원자들의 질량비를 찾기 위해 원자론을 기반으로 하나의 가설을 세웠다.
두 원소가 결합을 할 때, 각 원소의 원자가 1:1로 결합하여 2원자 화합물을 만드는 것이 가장 쉽다고 가정했다.
그러므로 두 원소가 결합하여 만들어지는 화합물이 하나밖에 없으면 그것은 1:1로 결합한다고 가정했다.
그리고 두 가지 이상의 화합물을 만든다면 하나는 1:1, 다른 하나는 1:2, 그다음은 1:3 등 결합에 있어서 가장 단순한 정수비를 따른다고 본 것이다.
이러한 결합 규칙을 설정해 놓음으로써 돌턴은 여러 화합물을 구성하는 원소들의 질량비를 알게 되었고, 이를 통해 수소를 기준으로 한 원소들의 상대적 질량비, 즉 원자량을 찾을 수 있게 되었다.
돌턴의 원자설의 주요 골자는 다음과 같다.
이 원자설은 오늘날 물질에 대한 생각으로서 보편적으로 인정 받고 있다.
이로 인하여 우리는 원자는 원소의 성질을 갖고 있는 원소의 가장 작은 기본 입자로 규정할 수 있다.
일정 성분비 법칙(一定 成分比法則) 또는 정비례의 법칙(定比例法則)은 한 화합물을 구성하는 각 성분 원소들의 질량 비가 일정하다는 법칙을 말한다. 1799년 프랑스의 화학자이자 약학자인 조제프 루이 프루스트가 발견하였다.
배수 비례의 법칙과 함께 화학양론의 근간이 된다.
프랑스의 화학자 조제프 프루스트가 1799년에 처음 제안하였으나 조지프 프리스틀리와 앙투안 라부아지에가 이미 이와 유사한 발견을 한 바가 있다.
이 법칙은 모든 화학량적 화합물에 적용되기 때문에 너무나도 당연하게 보일 수 있으나, 처음 제안되었을 당시에는 여러 가지 반론이 있었다.
특히 클로드 루이 베르톨레는 원소들이 어떠한 비율로든지 결합할 수 있다고 주장했다.
일정 성분비 법칙은 물질을 구성하는 것이 셀 수 있으며 원소마다 각각 다른 종류를 가지는 어떤 단위체임을 암시하고 있고, 존 돌턴은 이를 포착하여 원자론의 이론적인 기반으로 채택했다.
이와 유사하게 영국의 화학자인 윌리엄 프라우트는 수소 원자가 원자의 근본적인 단위라고 주장했다.
이 가정으로부터 원자 질량은 수소 질량의 정수배라는 법칙인 정수율이 얻어졌다.
그러나 이는 1820년과 1830년에 원자 질량에 대한 정제된 측정 방식이 개발되면서 거부되었다.
특히 옌스 야코브 베르셀리우스에 의해 염소의 원자량이 35.45라고 밝혀졌기 때문에 수소가 모든 물질의 기본 단위라는 주장은 더이상 받아들여지지 않았다.
이러한 차이는 1920년대 이후 동위원소의 발견으로 인해 설명되었다.
일정 성분비 법칙은 항상 성립하지는 않으며, 이러한 화합물을 비화학량론적 화합물이라 한다.
하나의 예시는 산화철의 일종인 뷔스타이트이다.
이 화합물은 0.83에서 0.95개의 철 원자마다 하나의 산소 원자를 가진다.
그래서 실험을 해보면 23%에서 25%의 산소 질량비가 나타난다.
이상적인 식은 FeO이지만, 결정내의 빈 공간 때문에 Fe0.95O로 줄어들게 되는 것이다.
프루스트는 이런 작은 변화를 감지할 정도로 민감하지는 못했다.
게다가 원소들의 동위원소 구성은 생성물의 종류에 따라 달라지고, 화학량적 화합물의 질량에 대한 동위원소의 퍼센티지는 바뀔 수 있다.
이러한 변화는 방사능 연대 측정에서 사용된다.
이처럼 동위원소에 따라 질량의 차이가 있지만 수소의 경우, 즉 중수소나 삼중수소를 제외하면 이 차이를 구식 기구로 감지하기란 쉬운 일이 아니다.
뿐만 아니라 DNA, 단백질, 탄수화물 등 많은 자연적 중합체들은 심지어 ‘순수할 때’도 구성에서 차이를 지닌다.
중합체들은 유일한 분자식을 가지고 있고 화학량론이 일정해도 일반적으로 ‘순수한 화학적 화합물’로 분류하는 경우는 거의 없다.
이러한 중합체들에는 마찬가지로 동위원소에 의한 차이도 여전히 존재한다.
만약 물에서 수소가 차지하는 질량이 2.5g라면, 산소 원자가 차지하는 질량은 20g이 된다.
화합물(化合物, )은 두 종류 이상의 화학 원소의 원자가 결합하여 만들어진 순수한 화학 물질이며, 화학 반응을 통하여 더 단순한 물질로 분리해 낼 수 있다.
이를테면 물(H2O)은 하나의 산소 원자마다 두 개의 수소 원자가 공유결합을 하여 만들어진 물질이다.
화합물은 고유한 화학적 구조를 가지고 있으며 이들은 화학 결합으로 하나가 된 일정한 비율의 원자로 이루어져 있다.
화합물은 공유 결합에 의하여 하나로 된 분자 화합물이라고 할 수 있다.
이를테면 염은 이온 결합에 의하여 하나로 되고, 합금(금속을 결합시킨것,백랍 등이 있음)의 경우 금속 결합에 의하여 하나로 되며, 배위 착염은 배위 결합에 의하여 하나로 되는 분자 화합물이다.
한편, 순수한 화학 원소는 이것이 단일 원소(H2, S8 등)로 된 여러 개의 원자만 포함하는 분자들로 이루어져 있다고 할지라도 화합물로 간주하지 않는다.
화합물은 오직 두 종류 이상의 원소들로 결합한 형태의 물질들을 이르기 때문이다.
위의 단일 원소(H2, S8 등)는 홑원소 물질이라고 부르기도 한다.
화합물의 특성은 다음과 같다:
화학자들은 화합물을 다양한 형태의 공식을 이용하여 서술한다.
분자로 존재하는 화합물의 경우 분자 단위의 공식이 이용된다.
광물과 수많은 금속 산화물과 같은 중합체의 경우 일반적으로 실험식이 이용된다.
이를테면 염화 나트륨의 경우 NaCl로 표기한다.
화학 공식의 원소는 일반적으로 특정한 순서로 나열되는데 이를 힐 시스템(Hill system)이라고 한다.
이러한 체계에서 탄소 원자들은 일반적으로 맨 처음에, 수소 원자는 그 다음에, 다른 모든 원소는 알파벳 순으로 그 뒤에 나열된다.
화학식이 탄소를 포함하지 않으면 수소를 포함한 모든 원소는 알파벳 순으로 나열된다.
그러나 이러한 일반적인 법칙에도 예외는 있다.
이온 화합물의 경우 양이온은 거의 언제나 맨 먼저 오고 음이온은 두 번째에 온다.
산화물의 경우 산소가 맨 마지막에 나열된다.
화합물은 몇 가지 가능한 상을 가질 수 있다.
모든 화합물은 적어도 충분히 낮은 온도에 있다면 고체로 존재할 수 있다.
분자 화합물은 액체, 기체, 또 특별한 경우 플라스마로 존재할 수도 있다.
모든 화합물은 열에 의해 분해된다.
이러한 분해가 일어나는 온도는 분해 온도라고 한다.
분해 온도는 열의 속도에 따라 달라지며 가파르게 바뀌지는 않는다.
화합물을 포함하는, 연구를 통해 알려진 모든 화학 물질들은 고유의 수치적 식별자인 CAS 번호가 있다.
상의 다른 뜻은 다음과 같다.
용매(溶媒, )는 용액의 매체가 되어 용질을 녹이는 물질로, 주로 액체나 기체상을 띤다.
예를 들어 액체에 물질을 녹여 용액을 만들 때나 액체에 액체가 녹아들어가는 경우에 그 양이 많은 쪽의 액체를 용매라고 하며, 용액 중에서 용매는 용질에 비해 용액을 구성하는 비율이 높다.
액체상의 용매의 경우 공통적으로 끓는 점이 낮아 휘발성을 가지고 있는 경우가 있다.
용매는 액체상이 아닌 혼합물에서 특정 물질을 추출할 때에 사용되기도 한다.
용매가 액체 상태에 있는 경우, 용매가 어느 종류의 물질이냐에 따라 무기 용매와 유기 용매로 구분하기도 한다.
대표적인 무기 용매는 물이며, 유기 용매로는 에테르나 아세톤, 알코올 등을 들 수 있다.
대표적인 극성 용매로는 물, 에탄올, 아세톤 등이 있고, 대표적인 무극성 용매로는 사이클로헥세인 사염화탄소, 벤젠 등이 있다.
고트어 이름은 티우다레익스()로 "백성들의 왕"이라는 의미이다.
454년, 동고트족이 훈족들에게 점령된 지 1년째 되던 해에 튜다미르(Thiudamir) 왕의 아들로 태어났다.
테오도리쿠스는 튜다미르와 동로마 제국 사이의 협정의 결과로 콘스탄티노폴리스에서 볼모로 유년기를 보냈다.
테오도리쿠스는 콘스탄티노폴리스에서 지내며 동로마 제국의 정치와 군사에 대해 많은 것을 배웠다.
이후 이십대 초반을 다른 동고트족과 보냈으며 488년 왕이 되었다.
이 무렵 동고트족은 동로마 제국 내에 로마의 포이데라티로 거주하고 있었으나 점점 통제하기 힘들어지고 있었다.
테오데릭이 왕이 된 이후 황제 제논과 협정을 맺어 테오도리쿠스와 동고트족이 476년 로마를 점령한 오도아케르를 몰아내는 데 협조를 받기로 하고 오도아케르의 왕국을 침략하게 된다.
테오도리쿠스는 488년 군대를 끌고 이탈리아에 도착, 489년 이손조의 전투와 밀라노의 전투와 489년 아다의 전투에서 승리를 거두었다.
493년 테오도리쿠스는 라벤나를 점령하고 오도아케르는 항복하나 테오도리쿠스의 손에 살해되었다.
오도아케르와 같이 테오도리쿠스는 공식적으로는 콘스탄티노폴리스에 있는 황제의 총독이었으나 실질적으로 테오도리쿠스와 로마 황제의 교섭은 동등한 상황에서 진행되었고, 로마 황제의 간섭은 크지 않았다. 하지만 오도아케르와 달리 테오도리쿠스는 왕국 내의 로마 시민들을 로마 법대로 다스린다는 약속을 지켰다.
고트족은 전통적인 법률과 관습으로 다스려졌다.
테오도리쿠스 대왕은 프랑크족의 왕 클로비스 (Clovis) 1세의 여동생 아우도플레다(Audofleda)를 왕비로 맞아들여 결혼동맹을 맺었으며, 서고트족, 반달족, 부르군트족 왕들과도 동맹을 맺었다.
클로비스 1세는 506년과 523년 테오도리쿠스와 전쟁을 벌였다.
제위기간 대부분동안 테오도리쿠스 대왕은 형식적으로는 동고트족과 서고트족 모두의 왕이었으며 505년경 어린 서고트족 왕의 섭정이 되었다.
테오도리쿠스는 507년 프랑크족에게 서고트 영토인 아퀴타니아를 빼앗겼으나 그 외에는 대부분의 외침을 격퇴했고, 반달족 왕 트라사문트(Thrasamund)를 격퇴해 약탈을 막았다.
테오도리쿠스는 아리우스파 신자였으며, 이 점 때문에 재위 말 로마 황제 유스티니아누스 1세와 마찰이 생겼다.
양국의 관계는 나빠지기 시작했으나 테오도리쿠스가 살아있는 동안은 충돌이 없었다.
테오도리쿠스 대왕은 라벤나에 매장되었으며, 사후 딸 아말라순타(Amalasuntha)가 손자 아탈라릭(Athalaric)을 대신해 섭정이 되었다.
프랑크의 군주 힐데리히 1세(Childeric I)의 딸이자 클로비스 1세의 누이인 아우도프레다(Audefleda)와 결혼하여 아말라순타 등을 두었다.
연소(燃燒, ) 물질이 산소와 화합할 때 다량의 열과 빛을 발하는 현상을 말한다.
설탕이나 에탄올 등은 공기 중에서 가열되면 연소하지만 소금은 아무리 가열되어도 타지 않는다.
이와 같이, 물질에는 가열되면 타는 것과 타지 않는 것이 있다. 1630년에는 페리고르 지방의 의사인 랑세가 납과 주석을 불에 태우면 산화되어서 이 금속들의 양이 증가한다는 것을 설명했는데, 이것은 라부아지에보다 한 세기 앞서는 것이었다.
어떤 물질이 산소와 화합되는 현상을 산화작용이라 하며, 쇠가 녹이 난다든지 물질이 부패하는 경우처럼 매우 천천히 진행되는 것도 있지만 급격히 진행되는 경우도 있다.
즉 연소란 빛과 열을 수반하는 급격한 산화반응이다.
리처드 파인만은 "산소원자가 탄소원자 근처로 접근할 때에는 에너지를 조금밖에 갖고 있지 않지만, 산소와 탄소가 결합할 대에는 한바탕 난리가 일어나서 주변의 다른 원자들에게도 그 여파가 전달된다.
즉 운동에너지가 생성되는 것이다.
이 과정을 간단하게 표현하면, 연소다.
탄소와 산소가 결합할 때 주변에는 항상 열이 발생한다.
열은 뜨거운 기체분자의 운동으로부터 생성되는데, 어떤 특별한 환경에서는 열이 너무 많이 발생하여 빛이 나는 경우도 있다."라고 말했다.
완전연소의 경우, 반응 물질이 산소의 공급이 충분한 상태에서 완전히 타서 이산화탄소와 물을 발생시킨다.
불완전연소는 연료가 완전히 반응할 정도로 산소가 충분히 공급되지 않은 경우 발생하며 일산화탄소를 만들어낸다.
완전 연소와 달리 붉은 빛을 띈다.
물질에는 설탕이나 에탄올과 같이 공기 중에서 가열하여 온도를 올리면 연소하는 것이 있다.
그러나 철 등 금속은 덩어리인 상태에서 아무리 가열해도 연소하지 않지만, 가는 섬유로 만든 스틸 울은 가열하면 잘 탄다.
마그네슘도 얇은 리본처럼 만들거나 가루로 만들면 가열에 의해 불꽃을 내면서 격렬하게 연소한다.
또, 구리 가루는 공기 중에서 가열하면 빛깔이 검게 변할 뿐이지만, 산소내에서 가열하면 빨갛게 되어 심하게 변화한다.
일반적으로 어떤 물질이나 공기 속에서보다 산소 속에서 더 세게 연소한다.
반대로 산소가 없는 곳에서는 에탄올이나 석유 등을 아무리 가열해도 연소하지 않는다.
이러한 사실로부터 물질이 연소하기 위한 조건들을 알아보면 다음과 같다.
3번까지의 조건을 '연소의 3요소'라고 하며, 불꽃연소에서 추가로 발생하는 4번 조건까지를 '연소의 4요소'라고 한다.
물질을 잘게 부수거나 가루로 만들면 잘 타는 이유는 물질의 온도를 높이기 쉽고, 또 표면적이 증가하여 공기 속의 산소와 접촉하기 쉽게 되기 때문이라고 할 수 있다.
물이나 이산화탄소가 생기는 물질.
석유나 에탄올을 석면에 스며들게 하고 병 속에서 태우면 병 안쪽에 물방울이 맺힌다.
또, 이 병 속에 석회수를 넣고 잘 흔들면 석회수는 뿌옇게 흐려진다.
병 안쪽에 물방울이 맺히는 것은 물질이 연소하여 물(수증기)이 생긴 것을 나타내며, 석회수가 뿌옇게 흐려지는 것은 이산화탄소가 생긴 것을 나타내고 있다.
수소를 공기 중에서 연소시키면 물(수증기)이 생긴다.
또, 탄소를 공기(산소) 중에서 연소시키면, 탄소는 전부 없어지고 이산화탄소가 생긴다.
이러한 사실로부터, 석유나 에탄올이 연소하면 물이나 이산화탄소가 생기는 것은 연소하는 물질, 즉 석유나 에탄올에 수소나 탄소가 함유되어 있어, 그것들이 연소하여 물이나 이산화탄소가 된 것으로 생각된다.
따라서, 설탕·판자·밀랍·종이 등과 같이 공기 중에서 연소하여 물이나 이산화탄소를 생성하는 물질에는 수소나 탄소가 성분으로서 함유되어 있다고 할 수 있다.
철 등의 금속이나 황이 연소할 때 물이나 이산화탄소가 생기지 않는 것은 이들에 수소나 탄소가 함유되어 있지 않기 때문이다.
금속이나 황이 연소하여 생기는 것.
스틸 울은 연소하면 검은 고체 물질(산화철)이 되며, 마그네슘은 흰 고체(산화마그네슘)로 변한다.
또, 황은 코를 찌르는 자극적인 냄새가 나는 기체(이산화황)를 내면서 연소하는데, 뒤에는 아무것도 남지 않는다.
이와 같이, 연소하여 생긴 생성물은 원래의 물질에 따라 다르고, 또 연소하는 모양(열이나 빛을 내는 모양)도 물질에 따라 다르다.
양초가 타면 기체인 이산화탄소와 물이 생성되어 공기 속으로 빠져 나가고, 양초의 질량은 줄어든다. 스틸 울이나 마그네슘은 연소하면서 질량이 커진다.
즉, 이들이 타서 생긴 산화철이나 산화마그네슘의 질량은 원래의 스틸 울이나 마그네슘의 질량보다 크다는 것을 알 수 있다.
스틸 울이나 마그네슘이 연소하는 데는 산소가 필요하며, 또한 연소에 의해서 생긴 물질의 질량이 연소하기 전의 물질의 질량보다 커졌다는 사실을 생각할 때, 연소로 생긴 물질 속에는 산소가 들어갔다고 할 수 있다.
이것은 연소에 의해서 산소와 물질이 결합되었음을 말해 준다.
양초나 에탄올을 공기 속에서 가열하면 열과 빛을 내면서 연소하여 물과 이산화탄소를 생성하는데, 물은 수소와 공기 속의 산소가 결합하여 생긴 물질이고, 이산화탄소는 탄소와 공기 속의 산소가 결합하여 생긴 물질이다.
이와 같이, 물질이 열과 빛을 발생시키면서 산소와 결합하는 것을 연소라고 한다.
스틸 울이나 마그네슘도 공기 중에서 가열하면 빛과 열을 내면서 연소하여 산소와 결합해서 각각 산화철과 산화마그네슘이 된다.
이와 같이, 물질이 연소하면 원래의 물질과 다른 물질이 생긴다.
이러한 변화도 화학적 변화의 하나이다.
아르곤(←, )은 주기율표의 화학 원소로 기호는 Ar(←)이고 원자 번호는 18이다.
18족에 속하는 비활성 기체로 지구 대기의 약 0.934%를 차지하며, 비활성 기체 중 지구에서 가장 흔하다. 1894년 영국의 레일리에 의해 발견되었다.
상온에서는 무색,무취의 기체이다.
아르곤은 고체, 액체, 기체 상태 모두 무색, 무취인 불연성의 기체이다.
물에 대한 용해도는 산소와 비슷하며, 질소보다는 약 2.5배가량 더 용해된다.
대부분의 경우 화학적으로 매우 안정하여 화합물을 형성하지 않는다.
그러나 극저온에서는 일부 아르곤 화합물이 관찰된 적이 있다. 2000년 핀란드 헬싱키 대학에서 발견된 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)가 대표적이다.
또한 반응성이 큰 플루오린과 염소와도 결합을 잘 하지 못한다고 알려져 있었으나, 물 분자들 사이에 들어가 결합할 수 있다는 사실이 알려졌다.
아르곤은 그리스어로 '비활성'을 뜻하는 αργον에서 이름이 붙여졌다.
1785년 헨리 캐번디시는 공기 중에 전류를 흘려 질산을 생성시키는 실험을 하였는데, 이 과정에서 소량의 기체가 반응하지 않고 남아있는 것을 관찰했다.
1882년 두 과학자가 독자적으로 공기 중에 포함된 원소의 스펙트럼을 분석하던 중 새로운 선 스펙트럼이 존재한다는 사실을 발견하였으나, 어떤 원소에 의한 것인지는 설명하지 못했다.
이후 1894년 레일리와 윌리엄 램지는 순수한 질소 기체와 공기 중의 질소 기체 사이에 약 0.5% 정도의 질량 차이가 존재한다는 사실을 발견하고 다른 원소가 섞여있을 것이라고 예측했다.
그들은 런던대학교 UCL에서 불순물을 제거한 공기를 액화시킨 후 이를 분별 증류하여 아르곤을 순수한 상태로 분리하였다.
1957년까지는 원소 기호가 A였으나 이후 Ar로 바뀌어 지금에 이르고 있다.
아르곤은 대기 중에 부피 비율로는 약 0.934%, 질량 비율로 약 1.288%가 포함되어 있다.
지구상에 존재하는 아르곤의 대부분은 아르곤-40(존재 비율 99.6%)이며, 이외에 아르곤-36, 아르곤-38 등이 미량 존재한다.
자연 상태에서는 칼륨-40이 베타 붕괴하면서 약 11.2%가 아르곤-40으로 변하는 과정이 일어난다.
이러한 성질을 이용한 칼륨-아르곤 연대 측정법은 암석의 연대를 측정하는데 사용된다.
또, 아르곤은 태양계 내에서도 행성에 따라 동위 원소의 존재 비율이 다르다.
이는 지구형 행성의 경우에는 암석 속의 칼륨-40이 베타 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 대부분인 반면, 목성형 행성에서는 항성의 핵융합으로 생성된 아르곤-36이 대부분이기 때문이다.
초저온냉동공학을 이용한 공기분리공장에서 주로 생산된다.
공기분리공장에서는 공기 중에 존재하는 질소와 산소를 액화시켜 끓는점 차를 이용하여 분리하는데 이 중 아르곤은 산소와 끓는점이 유사하여 액체산소의 상위층에 많이 분포하게 되며, 이를 별도의 분별 증류를 이용하여 농축시킨다.
이러한 방식으로 매년 전 세계에서 70만 톤의 아르곤이 생산된다.
고온에서 2원자 물질인 질소가 불안정한데 반하여, 1원자 물질인 아르곤은 고온에서도 안정적이다.
따라서 고온에서의 비활성 기체(inert gas)가 요구되는 곳에 많이 사용한다.
철강 제조시 고급제련강을 제조하는 경우에 주로 쓰이며, 그 외에도 TIG용접, MIG용접시에도 불활성가스로 사용된다. (가운데 I는 Inert를 의미함.) 또한 네온과 함께 PDP (플라즈마 액정 표시장치)의 내부에 플라즈마 형성을 위해 사용되고, 백열등 내부에서 텅스텐 필라멘트가 산화되지 않도록 하기 위한 충전가스로도 사용된다.
한편 최근 반도체, LCD 제조의 90nm 이하의 공정에서 ArF(플로오르화 아르곤) 포토레지스트(photoresist) 및 광원 제조에 사용되기도 한다.
청록색의 아르곤 레이저는 종양 제거 등의 목적으로 이용되며, 잠수부들이 사용하는 산소통의 혼합기체로 사용되기도 한다.
반감기가 269년인 아르곤-39는 빙하나 지하수의 연대를 측정하는데 사용되기도 한다.
고압가스 및 특수고압가스를 제조, 공급하고 있는 에어프로덕츠코리아, 에어코리아, 대성산업가스, BOC 코리아, 프락스에어 코리아 등에서 주로 제조된다.
최근 수요처에 직접 공장을 설립하여 파이프라인을 통해 공급하는 온사이트 방식이 활성화되는 추세이다.
아르곤 자체의 독성은 없지만, 공기보다 무겁고 바닥에 가라앉는 특성이 있기 때문에 밀폐된 공간에서 아르곤 누출 시 산소 결핍으로 인한 질식을 유발할 수 있다.
대기(大氣, Atmosphere)는 천체의 주위를 대체로 일정하게 둘러싸고 있는 기체층을 말한다.
별다른 조건없이 '대기'라고 표현할 때에는 일반적으로 지구 대기권을 가리키는 말로 쓰인다.
생명체가 호흡할 수 있도록 해 주고, 운석이나 기타 위협적인 요소들로부터 생명체를 보호하기 위해서 필수적인 조건이다.
행성을 사람이라고 치자면 대기는 옷이라고 생각하면 편하다.
태양계 위성 중에서는 타이탄이 질소 주성분의 대기를 가지고 있다.
지구의 대기권은 기체층으로 지표에서 고도 약 1000 km까지 존재한다.
주로 질소와 산소로 이루어져 있으며 그 외에 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등의 희소 기체가 포함되어 있다.
수증기를 제외한 공기 성분은 약 80 km까지 거의 일정하다.
지구 대기권은 고도에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권 등으로 구분된다.
기상의 변화는 대류권에서 나타나며 다른 권역에서는 오존층의 생성, 전자기파의 반사와 같은 성질을 보이는 특이층이 존재한다.
공기에는 여러 가지 힘이 작용하고 있다.
그 중에서도 가장 중요한 힘은, ⑴ 기압이 위치에 따라 다르므로 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 미는 힘 ⑵ 지면(地面) 마찰의 힘 ⑶ 지구가 회전하고 있기 때문에 작용하는 힘 등이다.
주로 이 세 가지 힘의 균형에 의하여 바람은 여러 가지로 변한다.
한마디로 바람이라 해도 실제로는 매우 복잡하며 강하게 불었다가 약하게 불었다 하기도 하고 또 풍속에 따라 풍향도 좌우로 조금씩 흔들린다.
이것을 '바람의 숨'이라 한다.
또 지형은 수평면이 아니고 건물도 있으므로 저항이 작용하여 수많은 작은 소용돌이가 발생하여 불어오므로 순간풍속은 일정하지 않다.
따라서 10분간의 평균을 산출한 평균 풍속을 일반적으로 풍속이라고 부르고 있다.
공기의 운동은 바람이 부는 것으로 알 수 있으므로 같은 시각에 각 지방에서 바람 관측을 하면 운동 상태를 알 수가 있으나 규모에 따라 여러 가지 운동으로 나눌 수 있다.
그 중 가장 규모가 큰 운동이 지구를 둘러싸고 있는 대기의 흐름으로서 이것을 대기의 대환류(大環流)라 한다.
지구 대기의 역할은 생명체에 산소 공급, 온실 효과를 통한 지구 보온, 태양(Sun)으로부터 오는 자외선 차단, 저위도의 에너지를 고위도로 운반, 운석으로부터 지구 보호 등이 있다.
수성은 대기가 거의 없다.
달보다는 짙은 대기를 가지고 있지만, 우주 공간보다 약간 짙은 정도이다.
수성 대기의 대부분은 산소로 이루어져 있다.
금성의 대기는 95% 이상이 이산화탄소로 구성되어 있으며 지구 대기압의 90배에 달하는 두꺼운 대기를 가지고 있다.
금성의 대기는 두껍고 이산화탄소가 많아 온실효과가 매우 활발하게 일어나 표면 온도가 500°C 가까이 근접한다.
금성은 탈출 속도가 지구와 거의 비슷하지만, 표면 온도가 높기 때문에 질량이 작은 수소 기체 등은 활발한 분자 운동으로 인해 평균 운동 속도가 증가하여 금성을 벗어나 버리고, 질소와 약간의 아르곤 등이 대기 중에 분포하고 있다.
수증기는 대기 상층부에만 약간 존재하기 때문에 금성의 대기는 전체적으로 건조하다.
화성의 대기는 대부분이 이산화탄소이며 기압은 지구의 1/100 정도이다.
태양에서 비교적 먼 편이라 표면 온도는 영하권이다.
화성은 자기장이 매우 미약해서 대기가 태양풍의 영향으로 쓸려나가고 있는 상태이다.
또한 화성의 여름에는 극지방의 드라이아이스가 녹아 이산화탄소가 대기중으로 유입되어 대기가 약간 짙어진다.
목성의 대기는 주로 수소로 이루어져 있으며 남반구에 커다란 소용돌이인 대적반이 관찰된다.
대체로 지구형 행성에 비해 매우 높은 기압을 가지고 있어서 탐사선을 통한 정확한 기압 측정이 불가능하다.
목성형 행성들인 토성, 해왕성, 천왕성 등의 행성도 목성 대기 성분과 비슷하다.
위성은 행성에 비해 중력과 질량이 작기 때문에 대기가 없을 것이라고 생각됐지만, 토성의 위성인 타이탄은 지구 대기압의 1.4배에 달하는 질소 주성분 대기가 있다.
레이저(, )는 유도방출광선증폭()의 머릿글자다.
원자나 분자 내부에 축적된 에너지를 집약적으로 뽑아내는, 긴밀히 결합된(응집력 있는) 광선이다.
전형적인 레이저 광은 단색, 즉, 오직 하나의 파장이나 색으로 이루어진다.
일반적으로 레이저 빔은 가늘고 퍼지지 않는다.
반면, 백열전구와 같은 대부분의 광원은 결이 맞지 않은 수많은 빛을 넓은 파장 범위에서 넓은 면적으로 방출한다.
레이저의 파장은 매질 등의 구성요소에 의해 정확하게 정해진다.
매질에 따라, 아르곤에서는 푸른색, 이산화탄소에서는 무색(적외선), 루비에서는 붉은색의 레이저가 방출된다.
1917년 알베르트 아인슈타인은 전자기 방사선의 흡수, 자연 방출, 유도 방출을 위해 개념적으로 아인슈타인 계수에 기반을 둔 막스 플랑크의 방사 법칙을 재유도함으로써 방사양자설(Zur Quantentheorie der Strahlung)이라는 논문에 레이저와 메이저의 이론적 토대를 마련하였다.
햇빛을 한 점에 집중하면 종이를 태울 정도의 에너지를 얻을 수 있다.
레이저의 경우 태양빛에 비하여 단위 면적당 얻어지는 에너지가 훨씬 많은데, 태양빛은 직경 1000분의 1mm 크기에 집광(集光)시키는 것이 어렵지만 레이저 광(光)이라면 그것이 가능하다.
이 때문에 1ｍW 출력의 레이저라도 단위 면적당으로는 태양빛의 100만 배의 에너지 밀도가 된다.
1ｍW라면 꼬마 전구를 켤 수 있는 전기보다도 더욱 작은 출력이다.
이렇게 되면 종이를 태우는 정도가 아니라 출력 여하에 따라서는 사람을 살상할 능력까지 지니고 있다.
레이저 광이 군사용 무기로도 쓰일 수 있는 이유는 바로 이 때문이다.
1960년 7월, 미국의 T. H. 메이먼 박사는 여러 과학자들과 보도진 앞에서 레이저 빔으로 풍선을 터뜨려 보였다.
그 때부터 이 빛의 마술은 새로운 도구로서 과학사에 획기적인 한 페이지를 추가하게 되었다.
빛이 파동의 성질을 지니고 있다는 것은 오래전부터 알려져 있다.
자연광이 서로 다른 많은 파장과 위상의 빛이 섞여 있는 데 비하여 레이저 광은 단일 파장 동위상의 빛이다.
파장이란 물결의 봉우리와 봉우리, 혹은 골짜기와 골짜기 사이의 길이를 말한다.
빛은 파장마다 일정한 색을 가지고 있으므로 단일 파장인 레이저 광은 단일색이 된다.
레이저의 선명한 색의 비밀은 여기에 있다.
다만 레이저에는 모두 색이 있는 것은 아니다. 가시광(可視光) 이외의 파장을 가진 레이저 광이라면 모양도 색깔도 보이지 않는다.
위상이란 물결의 어긋남을 말하는데, 동위상이라는 것은 물결의 봉우리와 봉우리, 골짜기와 골짜기가 일치하고 있는 것으로, 다시 말해서 꼭 겹쳐 있다고 생각하면 된다.
이 때문에 레이저 광은 자연광에 비하여 매우 잘 다듬어진 '깨끗한 물결'의 빛이라 할 수가 있다.
그리고 레이저 광은 아무리 먼 거리까지 가도 빛이 퍼지지 않는다.
자연광이 사방팔방으로 확산해 버리는 데 비하여, 레이저 광은 똑바로 일직선으로 뻗어 간다.
이와 같은 성질을 지닌 레이저는 많은 분야의 관심을 끌어 눈 깜짝할 사이에 사용용도가 확대되어 갔다.
빛 본래의 성질에 더하여 그 강력한 에너지를 이용하여 공업·의료·핵융합·계측·정보 기억·광통신에 이르기까지 탄생 후 불과 35년 동안에 눈부시게 연구 개발되어 용도가 확대되어 왔다.
현재 레이저 산업의 시장규모는 수조 원에 이른다.
가장 널리 사용되는 분야는 콤팩트 디스크, DVD, 블루레이 디스크 등의 광디스크 장치이다.
이외에도 바코드 리더와 레이저 포인터에도 주로 사용된다.
산업적으로 레이저는 철이나 금속을 자르거나 표면에 그림, 글씨를 새기는 데 사용된다.
레이저는 다양한 분야의 과학에서 사용되는데 특히 정확하게 정해지는 단색의 파장 때문에 분광학 분야에 주로 사용된다.
펄스 레이저의 경우 짧은 펄스 폭을 이용하여 짧은 시간 동안에 일어나는 현상을 관찰하는 데 사용된다.
군사적으로 레이저는 공격 대상을 식별하거나 미사일 등의 무기를 유도하는 데 사용되며 전술 고에너지 레이저와 같이 미사일이나 비행체 등을 요격하는 용도로도 사용된다.
의학에서는 안과 수술, 미용 목적의 수술 등에 사용된다.
관성항법장치 내에서 Ring Laser Gyro나 Fiber Optic Gyro의 형태로 이용되며 물리학 분야에서는 레이저 냉각으로 원자를 극저온으로 냉각시키는 용도로 사용한다.
원자시계, 라이다 측량에서도 활용된다.
어떻게 강한 에너지를 내는가.
빛을 증폭한다는 것은 간단히 말하면 빛의 힘을 강하게 만드는 것을 말한다.
그것은 어떤 물질을 구성하는 원자와 분자를 자극하여, 빛 등의 전자파를 에너지로서 꺼내는 것을 말한다.
물질에는 각각의 고유한 에너지 준위가 있어, 증폭되었을 때에 방출되는 빛의 에너지도 각각 일정한 값을 갖는다.
방출되는 빛의 파장이 물질마다 달라지는 것은 그 때문이다.
분자와 원자는 통상 각각 일정한 에너지 준위에서 안정되어 있는데, 이것을 바닥 상태라 한다.
그런데 밖으로부터 자극을 받으면 에너지 준위가 높은 여기 상태가 된다.
이 때의 분자와 원자는 매우 불안정하기 때문에 에너지 준위가 낮은 안정 상태로 돌아가려고 빛을 방출한다.
이 자연 방출로 얻어지는 빛은 무질서한 빛이 혼재하여 파장도 위상도 제각기 다르다.
이와 같은 빛을 '인코히런트(Incoherent)'한 빛이라 하는데, 이 빛은 일상 생활에서 체험하는 빛과 똑같은 것이다.
한편 원자와 분자는 자신이 자연 방출하는 빛과 똑같은 파장의 빛에 부딪치면 유도되듯이 빛을 방출하는 성질이 있다.
이 빛은 원래의 빛과 파장·위상·진행 방향도 완전히 똑같은 가간섭적(可干涉的) 빛이다.
레이저 광을 꺼내는 데는 광공진기(光共振器)를 사용한다.
이것은 광축(光軸)이 일치하도록 좌우에 서로 마주보는 거울을 놓고, 그 사이에 레이저 발전(發振)을 시키기 위한 물질을 놓은 것이다.
매질로서는 결정(結晶)을 비롯한 고체 외에 액체, 기체도 사용되는데 현재까지 수천 종류에 이르는 레이저 광이 확인되고 있다.
이 광공진기의 레이저 매질에 자극을 주어 연속적으로 여기(勵起)를 만들어 내면, 자연 방출과 유도 방출이 일어난다.
자연 방출도 유도 방출도 처음에는 제각기 다른 방향을 향해서 일어나지만 좌우의 거울에 수직으로 닿는 빛만은 반사되어 거울 사이를 몇 번이고 왕복하는 동안에 유도 방출을 되풀이하여 레이저 광으로 성장해 간다.
이때 한쪽 거울에 부분 투과성의 것을 사용하면 내부를 왕복하고 있는 빛의 일부분이 광공진기 밖으로 방출된다.
이렇게 해서 레이저가 발생되는 것이다.
레이저 가공은 강력한 출력의 레이저를 사용하여 금속, 플라스틱, 나무 그리고 천 등의 절단, 구멍 뚫기와 용접, 담금질 등을 하는 기술이다.
작동 속도가 빠르고 초점을 정확히 맞출 수가 있기 때문에 여러 분야에 이용되고 있다.
IC와 LSI, 정밀 기기의 가공에 레이저는 매우 뛰어나다.
매우 작은 점에 집광(集光)할 수 있고 에너지 밀도가 큰 것이 레이저의 특성이기 때문이다.
가장 단단한 다이아몬드를 비롯하여 보석·내열합금·세라믹스 등도 가공할 수가 있다.
예를 들어 시계의 베어링으로 쓰이는 직경 1mm의 루비에 직경 0.05mm의 구멍을 1초 동안에 10개 이상이나 뚫는다.
같은 레이저 가공기라도 출력을 달리 하면 갖가지 작업을 할 수 있다.
출력을 높여 연속적으로 빛을 대면 금속을 절단할 수가 있으며, 재료가 녹으면서도 증발하지 않을 정도로 출력을 줄이면 용접기로 변한다.
더욱 줄이면 금속 표면에만 열처리를 한다든지 금속 표면의 흠을 체크할 수도 있다.