heegyu/kowiki-sentences huggingface dataset:
웨지우드는 실험들을 통해 카메라 개발의 원칙을 세우게 된다.
카메라 옵스큐라에 투영된 영상을 감광판으로 포착해 영구적으로 상을 물체에 정착시킨 최초의 사람은 프랑스의 조세프 니세포르 니에프스(Joseph Nicéphore Niépce)였다.
니에프스는 유태의 비투먼(bituman, 역청)이라는 천연 아스팔트가 빛의 노출에 따라 굳는 성질을 이용해서 8시간의 오랜 노출 끝에 1826년 &lt;그라의 창문에서 바라본 조망&gt;이라는 인류 최초의 사진을 탄생시킨다.
그는 이것을 헬리오그래피(heliography)라고 하였는데 헬리오그래피는 태양광선으로 그리는 그림이라는 뜻이다. 하지만 노출 시간이 너무 길기 때문에 광원이 이동하게 되었고, 상업화는 되지 않았다.
사진술 연구에 큰 관심이 있던 프랑스인 루이 쟈크 망데 다게르(Louis Jacques Mandé Daguerre)는 니에프스의 성과를 더욱 발전시켜 은도금 동판과 요오드를 이용해 1837년 다게레오타입(Daguerreotype) 즉, 다게르의 은판 사진술을 완성하는데 성공한다.
다게레오타입은 사실상 인류 최초의 카메라라고 할 수 있으며 비교적 짧은 노출시간과 선명한 결과물을 기반으로 상업화에 성공해 선풍적인 인기를 끌었다.
비교적 짧다고 하지만 여전히 사람을 찍기에는 길었고, 때문에 건축물을 주로 촬영했다.
카메라와 현상 장비가 비싸기도 했고, 같은 사진을 복사할 수 없다는 단점이 있었다.
따라서 사진을 그림으로 복제한 뒤, 화가가 사람이나 마차와 같은 것들을 그려넣고 채색을 하는 경우도 있었다.
1840년, 다게르는 새로운 카메라를 개발하였는데, 20배 밝은 개량 렌즈와 감광판 도금을 통해 선명한 명암을 표현했으며, 노출시간이 1분 정도로 축소되었다.
1841년 영국의 윌리엄 헨리 폭스 탈보트(William Henry Fox Talbot)는 금속을 원판 재료로 하는 기존의 방식과는 다른 종이 인화법인 칼로타입(calotype)을 발표했는데 이는 음화 상태로 감광판에 영상을 포착해 여기서 양화를 만들어내는 방법으로서 이를 통해 대량의 복제를 가능케 했다.
하나의 음화에서 수많은 양화를 만들어 낼 수 있는 오늘날 사진술의 개념은 탈보트에서 시작했다고 볼 수 있다.
칼로타입은 부드러우면서 선명하게 표현되었는데 이는 유화적인 편안함을 주었다.
때문에 다게레오타입은 기록을, 칼로타입은 예술을 위한 것이라는 평가를 받았다.
이후 본격적으로 카메라와 사진이 보급되기 시작하면서 이에 관한 연구와 성과들이 지속되었다.
사진의 원판(plate) 같은 경우에는 1851년 영국인 스코트 아처의 콜로디온 습판의 발명, 1871년 매독스의 젤라틴 건판의 발명으로 이어졌다.
1889년에는 이스트먼 코닥사에서 셀룰로이드를 두루마리처럼 말아서 제조한 롤필름(roll film)을 생산해서 판매하기 시작했다.
사람들은 이제 사진만 찍으면 되고 현상은 코닥사에 맡기면 되었다.
이렇게 사진 현상까지 대신 해주는 기업이 등장하면서 사진 현상을 위한 복잡한 도구를 개인이 가질 필요가 없게 되었고 누구나 쉽게 사진 촬영이 가능한 시대가 되었다.
그리고 1925년 작고 가벼운 라이카 카메라의 등장으로 카메라의 휴대성이 눈에 띄게 높아졌다.
이로서 사진은 이제 전문가뿐만이 아니라 일반인도 쉽게 찍을 수 있는 것이 되었고, 고정된 장소가 아니라 다양한 장소에서 자유롭게 촬영할 수 있게 되었다.
당시 이러한 기술적인 발전 덕분에 스냅사진이 유행하기 시작했는데 이 당시 대표적인 사진 작품으로는 앙리 브레송의 &lt;결정적 순간&gt;이 있다. 20세기 이후에는 컬러 필름이 등장했고 카메라는 자동 초점 기능과 자동 노출 기능 등과 같은 기술적 발전을 거듭해 왔다.
20세기 후반에 들어와서는 빛을 이미지 센서로 받아들여 디지털 정보로 기록하는 디지털 카메라가 등장하면서 21세기에 들어 필름 카메라의 시대가 저물고 사진과 카메라는 사람들에게 더욱 일상화되어 가고 있다.
한국에서는 1970년대 후반 경부터 컬러 사진을 찍을 수 있는 카메라가 생겼다.
물리학(物理學, )은 물질과 그것의 시공간에서의 운동, 그리고 그것과 관련된 에너지나 힘 등을 연구하는 자연과학의 한 분야이다.
가장 기초적인 과학의 한 분야로, 물리학의 목표는 우주 또는 자연이 어떤 식으로 운동하는가를 논리적으로 이해하는 것 즉, 모든 물체의 운동 원리를 규명하는 것이다.
즉, 인간이 과거 철학을 통해 자연법칙에 대해 물어왔던 근본적인 질문들이 오늘날 물리학을 통해 해결되고 있다.
2천 년 이상의 기간 동안 물리학은 화학, 생물학, 지구과학, 천문학과 함께 자연 철학의 일부였지만, 17세기 과학 혁명 이후 엄격한 과학적 방법을 사용하여 경험적 지식만을 다루게 되면서 물리학은 철학에서 분리되어 독자적인 학문으로 자리잡게 되었다.
유럽 언어에서 물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 에서 유래하였다.
고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 《자연학》()에서 여러 가지 운동에 대해 설명하였다.
아리스토텔레스 이후 서양 언어에서는 물체의 운동과 그에 미치는 힘 등을 연구하는 학문을 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었다.
한자 문화권의 물리(物理)라는 낱말은 메이지 시대 일본에서 난학이라 부르던 네덜란드를 중심으로 한 서양 문물을 도입하는 과정에서 만들어졌다.
갈릴레오 갈릴레이 이후 물리학은 물체의 운동과 같은 물리 현상을 수리 모형(數理 模型)을 통해 설명하고자 하였다.
아이작 뉴턴은 고전 역학을 수립하였다.
조제프루이 라그랑주와 같은 학자들은 물리학에서 다루는 모든 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였다.
현대 물리학에서도 수리 모형은 예측과 가설 검증의 주요한 수단으로 사용된다.
특히 물리학이 다루는 수리 모형과 관련된 연구를 하는 학문을 수리물리학이라고 한다.
고전 역학의 성립으로 천체에서부터 사과와 같은 작은 것에 이르기까지 대부분의 물체가 나타내는 운동을 설명하고 예측할 수 있게되자, 충분한 조건만 주어진다면 우주에 있는 모든 것의 상태를 물리학을 통하여 예측할 수 있다고 생각하는 결정론적 세계관이 널리 받아들여지기도 하였다.
그러나 20세기 초, 원자•분자•소립자 등 미시세계를 다루는 양자역학이 발달하면서 자연 현상의 예측에는 본질적으로 불확실성이 있음이 알려졌다.
20세기 후반에 발전한 혼돈 이론에서는 양자역학이 다루는 미시세계에서 뿐만 아니라 날씨와 같은 거시세계에서도 예측 불가능성이 있을 수 있다는 점이 밝혀졌다.
이는 미시세계에서 나타나는 불확실성과는 다른 것으로 초기 조건을 완벽히 알 수 없다는 점에 기인한다.
현대의 물리학은 매우 다양한 세부 학문으로 나뉜다.
다루는 대상에 따라 기본입자와 같은 미립자를 실험을 통해 검증하려는 입자물리학이나, 우주와 천체에 대해 연구하는 천체물리학과 같이 구분되기도 하고, 자연 현상을 설명하는 이론 체계를 세우는 이론물리학과 실험을 통해 해당 이론을 검증하는 실험물리학으로 구분되기도 한다.
또한, 역학, 전자기학, 광학과 같이 특정한 분야별로 나뉘어 불리기도 한다.
한편, 현대 물리학은 지구과학, 생물학 등 다양한 분야의 학문들과도 학제간 연구가 활발히 이루어지고 있다.
물리학은 여러 학문에서 다루는 대상들의 기본적인 성질에 대한 지식을 제공하기 때문에 기초과학 (Elementary Science)이라고 불린다.
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다.
물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다.
그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시키는 판단을 한다.
이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.
과학철학은 과학의 전제 조건 및 방법, 묵시적으로 인정하는 기초 등을 탐구한다.
즉, 이미 존재하고 있는 과학적 담론, 이론, 방법 등에 대해 반성적으로 고찰하여 〈과학이란 무엇인가?〉라는 질문에 답하는 작업이다.
과학철학은 물리학을 포함한 자연 과학이 다음과 같은 전제 위에 놓여 있다고 본다.
과학철학의 역할에 대한 견해는 학자마다 다르다.
대략 네 가지의 유형으로 나뉠 수 있는데, 밝혀진 과학 이론을 바탕으로 합리적인 세계관을 형성하는 것이라고 보는 견해가 있는 한편, 과학자들이 과학 연구에서 전제하는 가정들을 반성적으로 고찰하는 것이라는 견해도 있다.
예를 들어 과학자들은 자연 현상에 대해 복잡하기는 하지만 충분히 관찰하여 파악할 수 있는 규칙성이 있다고 전제한다.
또 다른 견해로는 과학철학이 과학에서 사용되는 개념을 명료하게 구축하는 작업이라는 것이다.
시간, 공간과 같은 용어가 무엇을 뜻하는 지를 분명히 하는 것을 예로 들 수 있다.
끝으로 과학철학이란 과학적 탐구와 그 밖의 탐구가 어떻게 다른지, 과학의 절차는 어떠하여야 하는 지, 올바른 과학적 지식은 어떤 전제를 만족하여야 하는 지 등을 탐구하는 제2준위의 표준설정학이라고 보는 견해가 있다.
이 외에도 프랑스의 과학철학자 도미니크 르쿠르는 20세기 이후의 과학철학을 논리실증주의에 입각하여 과학 자체의 논리를 검증하는 분석적 과학철학, 과학의 역사에 대하여 비판적으로 고찰하는 역사적 과학철학, 과학과 과학이 아닌 것을 구분하는 비판적 과학철학으로 과학철학의 분야를 정리한 바 있다.
과학철학은 과학 자체를 보다 합리적으로 발전시킬 뿐만 아니라, 대중이 갖는 과학의 이미지에 대하여 반성하고 보다 균형있는 과학의 대중화에도 기여한다.
과학적 방법은 현상을 연구하고, 새로운 지식을 구축하거나, 이전의 지식들을 모아 통합할 때 사용되는 기법으로, 경험과 측정에 근거한 증거를 사용하여 현상의 원리를 밝히는 과정이다.
과학적 방법은 귀납적이며 경험적인 진리를 추구한다.
따라서 과학적 방법으로 얻어진 지식은 철학, 종교, 수학 등 다른 영역에서 다루는 진리와 뚜렷이 구별된다.
단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다."라고 하였다.
인류가 도구를 사용한 이래 물리학적 지식은 생활의 여러 방면에 이용되어왔다.
선사 시대에 이미 빗면, 지레, 바퀴와 같은 단순 기계들을 이용하여 집을 짓고 물건을 운반하며 여러 가지 도구를 만들어 사용하였던 것이다.
또한, 천체를 관측하여 돌이나 고인돌에 새기기도 하였다.
문자가 발명된 이후 여러 고대 문명에서 물리학적 지식을 기록하고 후대에게 가르쳐왔다.
고대 그리스의 자연 철학은 자연에 대한 일반적인 설명을 시도하였다는 측면에서 물리학을 본격적인 학문으로 구축하였다고 볼 수 있다.
중세 시기에도 기계를 개선하고 다양한 방면에 물리학적 지식을 사용하였다.
한편, 알하이탐과 같은 12세기 무렵의 이슬람 과학자들은 자연 현상을 경험적 방법을 통해 관찰하고 기록하여 과학적 방법의 기초를 마련하였다.
르네상스 시기에 들어 서양의 여러 학자들 역시 고대 그리스 시대의 지식을 새롭게 발견하는 한편, 이슬람 과학의 영향을 받아 실험을 중요하게 여기기 시작하였다.
갈릴레오 갈릴레이는 실험과 관찰을 통해 과학적 지식을 발견하였고, 이를 수학적 모형으로 서술하여 이후 물리학 발전에 큰 영향을 주었다.
16세기 이후 과학 혁명 기간 동안 많은 사람들이 물리학의 발전에 공헌하였는데, 르네 데카르트의 직교 좌표계 도입은 큰 의미를 갖는다.
아이작 뉴턴이 완성시킨 고전 역학은 자연에 대한 이해를 새롭게 하였고, 눈으로 볼 수 있는 크기의 모든 물체의 운동에 대해 잘 들어맞는 모형을 제시하였다.
프랑스 수학자 조제프루이 라그랑주는 물리학이 다루는 모든 자연 현상에 대해 수리 모형을 수립하고자 하였으며 라그랑주 역학을 만들었다.
이어 수 많은 물리학자와 수학자들이 물리 현상을 정확히 설명하는 수리 모형을 발견해 나갔다.
소피 제르맹은 탄성에 대한 방정식을 발견하였고, 레온하르트 오일러는 달의 보다 정확한 위치를 계산하는 알고리즘을 개발하였다.
이러한 수리 모형 수립의 노력은 끊임없이 계속되어 18세기와 19세기를 거치면서 현재 고전물리학이 다루는 대부분의 자연 현상에 대한 수리 모형이 확립되었다.
한편, 과학 혁명 이후 물리학의 발전으로 다양한 자연 현상에 대한 연구와 발견이 이루어졌고 전자기학, 열역학이라는 다른 분야들이 수립된다.
20세기 초, 물리학은 새로운 패러다임의 변화를 겪게 되었다.
한 편에서는 알베르트 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하여 고전 물리학에서 불변량으로 다루어져왔던 시간과 공간(장소)은 더이상 불변량으로 다루어지지 않고 고전역학의 절대시간과 절대공간의 개념은 폐기되었다.
헤르만 민코프스키가 시간과 공간(장소)가 기하학적으로 통합된 민코프스키 시공간을 도입하면서 더 이상 시간과 장소가 독립적으로 여겨지지 않고 통합된 시공간의 개념으로서 다루어지게 되었다.
다른 한 편에서는 흑체복사의 연구에서부터 시작된 양자역학의 출현으로 우주를 이루는 물질의 상태에 대한 일반적 설명에 근본적인 변화가 불가피하게 되었다.
20세기 후반에 들어 물리학은 다양한 세부 분야로 세분되는 한편, 혼돈 이론, 통일장 이론, 초끈이론과 같은 새로운 이론 물리학 가설들이 생겨났다.
물리학에는 여전히 미해결 문제가 있고 이를 해결하기 위해 많은 물리학자들이 노력하고 있다.
물리학이 넓은 범위에 걸친 다양한 주제를 다룸에도 불구하고 모든 물리학자들이 공통적으로 사용하는 핵심 이론들이 있다.
이들 이론에 대한 연구는 여전히 활발히 지속되고 있지만, 그 중에 근본적으로 잘못된 이론이 있으리라고 믿는 물리학자는 거의 없다.
물리 연구의 기본 도구 역할을 하는 이 이론들 각각은 그 적용 범위 내에서 기본적으로 옳은 것으로 믿어지고 있는데, 예를 들어 원자보다 크고 천체에 비해 매우 가벼우며 광속보다 훨씬 느리게 움직이는 일상적인 물체의 움직임은 고전역학으로 비교적 정확히 기술된다.
이러한 특성 때문에 이 이론들은 모든 물리학도들이 기본적으로 이해해야 하는 필수 과목이기도 하다.
고전 물리학과 현대 물리학의 차이.
물리학은 우주의 법칙을 알아내기 위한 학문이지만, 물리학의 이론은 그것이 적용 가능한 범위 내에 있다.
쉽게 말해서, 고전 물리학의 법칙들은 크기가 원자보다 크고 움직임이 빛의 속도보다 훨씬 느린 계에 대해 설명한다.
이 범위를 벗어나면, 관측 결과는 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않게 된다.
알베르트 아인슈타인은 절대 공간과 시간의 개념을 시공간의 개념으로 대체하고 빛의 속도에 근접한 구성요소를 갖고 있는 계에 대한 더 정확한 설명을 가능하게 해준 특수 상대성이론을 제시했다.
막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등을 필두로 한 양자역학은 개연론에 의거한 입자와 상호작용에 대한 개념을 제공했고, 이는 원자나 원자보다 작은 크기에 대한 정확한 설명을 가능하게 했다.
후에 양자장론은 양자역학과 특수 상대성이론을 통일했다.
일반 상대성이론은 동적이고 구부러진 시공간에 대해 서술함으로써 매우 무거운 계나, 거대한 천체에 대해 설명할 수 있게 해준다.
일반 상대성이론은 아직 다른 이론과 통일되지 않았지만, 여러 양자중력이론의 후보 이론들이 성장하고 있다.
물리학에서의 현재 진행 중인 연구 분야는 대략 응집 물질 물리학, 원자 분자 광 물리학(AMO), 입자 물리학, 천체 물리학, 지구 물리학, 생물 물리학으로 나눌 수 있다.
일부 물리학과들은 물리 교육학의 연구를 지원하기도 한다.
20세기 이래로, 물리학의 개별 연구분야는 점점 더 전문화해지면서, 현재에는 대부분의 물리학자들이 평생동안 한 분야에서만 일을 하고 있다.
여러 물리 분야에서 연구했던 알베르트 아인슈타인 (1879-1955)나 레프 란다우 (1908-1968)과 같은 사람들은 이제는 매우 드물다.
작은 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다.
끈 이론과 양자론 등이 여기에 속한다.
아주 작은 공간이 아닌 분자수준의 공간은 화학이 서술하는 경우가 많다.
고전 물리학 시대엔 주로 빛과 화학을 연구하였으며, 원자 단위를 연구한것은 비교적 최근의 일이다.
큰 공간에 적용되는 물리 법칙을 서술하는 분야이다.
아주 큰 범위로는 우주 전체부터 작은 범위로는 일상적으로 눈에 보이는 범위까지이다.
천체물리학과 역학 등이 여기에 속한다.
물리학적 관점에서 생물학을 연구하기도 한다.
이를 생물리학이라고 부른다.
보통 어떤 한생명체를 두고 구조 역학적으로 분석하거나, 생물 내부의 물질대사를 물리적으로 연구한다.
혹은 물리학적 관점에서 생물군을 관찰하여 정리하기도 한다.
응집 물질 물리학은 물질의 거시적인 물리적 성질들을 다루는 물리 분야이다.
특히, 계의 구성 성분요소들의 수가 극히 많고 요소들간의 상호작용이 강할 때 나타나는 "응집된" 상태들에 주로 관심을 갖는 분야이다.
가장 익숙한 응집 상태의 예로는 고체와 액체를 들 수 있는데, 이들은 원자들 사이의 결합과 전자기력에 의해 생겨나는 것이다.
보다 특이하고 흥미로운 응집 상태로는 아주 낮은 온도에서 특정한 원자계에서 발견되는 초유체와 보스-아인슈타인 응축상, 특정한 물질에서 전도 전자들에 의해 나타나는 초전도상, 원자 격자에서의 스핀의 정렬에 따른 강자성과 반강자성상 등을 들 수 있다.
응집 물질 물리학은 현재의 물리 분야 중에서 가장 큰 분야를 형성한다.
역사적으로, 응집 물질 물리학은 고체 물리학에서 성장해 나왔고, 여전히 고체 물리학이 주된 세부 분야중의 하나이다. "응집 물질 물리학"이라는 용어는 필립 앤더슨이 본인의 연구 그룹의 이름을 변경하면서 1967년에 창작한 용어로 보인다.
1978년에 미국 물리학회의 고체 물리학 분과는 응집 물질 물리학 분과로 이름을 변경하였다.
응집 물질 물리학은 화학, 재료과학, 나노 기술, 그리고 공학과 관련성이 많다.
자연 현상에 대한 보편 법칙을 찾고자 하는 물리학은 모든 물질세계, 즉 모든 자연 현상을 연구 대상으로 하는데, 연구 대상의 크기에 따라서 세분화되어 있다.
또 어떤 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 가지고 자연 현상을 설명하느냐, 즉 연구 방법에 따라서도 분류할 수 있다.
물리학 연구는 일반적인 이론 체계(고전역학, 양자역학 등)를 세우는 것, 그 이론 체계를 이용하여 알려진 자연 현상을 설명하는 것, 알려지지 않은 새로운 현상에 대한 예측과 실험, 관찰을 통해 그 예측을 검증하는 것으로 이루어져 있다.
이 중 이론 체계 연구를 하는 것을 이론물리학, 실험과 관찰을 하는 것을 실험물리학이라고 한다.
오늘날, 물리학의 연구는 다방면으로 발전해나가고 있다.
응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다.
스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력을 경주하고 있다.
입자물리학에서 표준 모형을 넘어서는 실험적인 징후가 있다.
이중 가장 중요한 것으로 중성미자의 질량이 있다는 발견을 들 수 있다.
질량이 있는 중성미자에 의한 영향과 발견이 이론적으로나 실험적으로 활발하게 연구되고 있다.
이러한 실험 결과는 오랫동안 고민해오던 태양의 표준 모형의 태양 중성미자 문제의 해결로 여겨진다.
입자 가속기의 충돌 에너지 영역이 TeV까지 올라가면서 힉스 보존이 입증되었고 초대칭 입자들과 암흑물질의 발견을 기대하고 있다.
이론 물리학에서는 양자역학과 일반 상대론을 하나로 통합하는 양자 중력을 찾는 노력이 반세기 동안 끊임없이 시도되고 있지만 아직까지 괄목할 만한 성과는 없다.
지금으로서 가장 중요한 분야는 M이론을 포함한 초끈 이론과 루프 양자 중력을 들 수 있다.
많은 천체물리학과 우주론의 문제들도 충분히 이해하지 못했다.
그중 초고 에너지 우주선 문제, 바리온 비대칭과 우주 가속 문제, 은하 회전 문제 등이 있다.
고에너지 물리, 양자물리학과 천체물리학의 많은 진전이 있었지만 우리의 일상생활에서의 현상인 복잡계나 혼돈, 난류에 대해서는 이해하지 못하고 있다.
복잡계의 문제는 모래톱의 생성이나 물의 흐름, 물방울의 모양, 표면장력 또는 카타스트로피 이론처럼 역학을 어떻게 잘 적용하느냐의 문제처럼 보이지만 아직도 미해결 문제가 많다. 1970년대 이후로 복잡계의 문제들은 더 큰 주목을 받게 되었으며 이는 현대의 수리물리학이나 컴퓨터의 발전과도 연관이 있다.
복잡계의 물리는 다른 학문과의 상호 연계라는 측면에서도 중요한데 유체역학에서의 난류나 생물학의 패턴 형성 등이 그 예이다.
탄소(炭素←, )는 비금속인 화학 원소로, 기호는 C(←)이고 원자번호는 6이다.
존재하는 동위 원소는 총 3개로, C와 C는 안정적인 동위 원소지만 C는 반감기가 약 5730년인 방사성 동위 원소이다.
탄소는 아주 오래 전에 존재가 밝혀진 원소들 중 하나이다.
탄소는 지각을 구성하는 원소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소이다.
이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있다.
예로서 탄소는 우리 몸에서 산소 다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)이다.
탄소는 다양한 동소체를 가지고 있으며, 흑연, 다이아몬드, 비정질 탄소 등이 있다.
탄소 동소체들은 물리적 성질에서 많은 차이를 보인다.
흑연은 불투명한 검은색이지만 다이아몬드는 매우 투명하다.
흑연은 종이에다 글씨를 적을 수 있을 정도로 연하지만 다이아몬드는 천연물 중에서는 가장 단단한 물질이다.
흑연은 좋은 전기 전도체이지만 다이아몬드는 전기 전도도가 낮다.
일반적으로 다이아몬드, 탄소 나노 튜브, 흑연은 지금까지 알려진 모든 물질 중에서 열전도율이 가장 높다.
모든 탄소 동소체들은 상온에서 고체이며, 흑연은 열역학으로 가장 안정한 구조이다.
또한 반응성이 큰 산소와 반응할 때도 높은 온도가 필요할 정도로 화학적으로 쉽게 반응하지 않는다.
무기화합물에서 탄소의 산화수는 일반적으로 +4이다.
다만 예외적으로 일산화 탄소와 전이금속 카보닐 복합체에서는 +2이다.
무기 탄소화합물은 대부분 석회암, 백운암, 이산화 탄소이지만, 석탄, 이탄, 석유, 메테인 하이드레이트 같은 유기적 침전물에도 상당히 많이 존재한다.
탄소는 다른 원소와 비교해서 수많은 화합물을 결합한다.
표준 조건 하에서 이론적으로 가능한 화합물은 지금까지 밝혀진 것만 약 1천만 개 정도이다.
그래서 탄소는 종종 '원소의 제왕'이라고 불렸다.
탄소의 일부는 대폭발 핵합성 과정에서 생성되었다.
대폭발 핵합성 과정은 흔히 리튬보다 무거우면서 안정한 원소를 생성할 여지가 없다고 알려져 있다.
2007년 이탈리아의 천체 물리학자 파비오 이오코의 계산에 따르면, 대폭발 핵합성 과정에는 100개 이상 가능한 핵반응 경로들이 포함되었다.
탄소, 질소, 산소가 이 시기에 만들어질 수는 있었던 것이다.
단, 450경 개의 수소 원자핵마다 1개의 탄소-12 원자핵이 나타나 우주의 후속 진화에 영향을 미치기에 너무 적었을 뿐이다.
이오코는 초기 별들이 '금속이 없는 환경'에서 진화했다고 결론을 내렸다.
그러나 대폭발 핵합성 과정에 우주에는 최소 1080개의 수소 원자가 생성되어 있었다.
이 숫자는 워낙 크기 때문에 수소 원자 450경 개마다 1개씩 탄소가 생성되더라도 1064개 이상의 원시 탄소 원자가 이 과정에서 만들어졌다.
그 총량은 우주 질량의 아주 작은 부분에 불과하고, 오늘날 우주에서 발견되는 총 탄소 원자의 1조분의 1에 미치지 못하지만, 대폭발 직후에 생성된 원시 탄소 원자는 지금도 우주 전체에 우주 먼지와 가스로 흩어져 있다.
현재 우주에 존재하는 탄소 원자 대부분은 별 깊숙한 곳에서 만들어졌다.
대부분 수소로 이루어진 별은 안쪽 깊숙한 곳의 엄청난 온도와 압력으로 인해 '수소 연소'라 불리는 핵융합 반응을 거쳐 헬륨을 생성한다.
별의 핵 주변 수소 대부분이 융합하여 헬륨이 되면, '헬륨 연소' 반응이 시작되고, 그 와중에 베릴륨에 이어서 탄소가 만들어진다.
이 과정을 밝혀낸 사람은 영국 천문학자 프레드 호일이다.
요약하면, 항성 내부의 상상할 수 없는 열과 압력의 영향을 받아 수소는 헬륨으로, 세 개의 헬륨 핵은 탄소로 융합된다.
느린 과정이지만, 우주의 탄소 농도는 점차 증가해 궁극적으로 수소 원자 1000개당 거의 5개의 비율로, 탄소 원자는 우주에서 네 번째로 풍부한 원소가 되었다.
우주 역사의 첫 수백만 년 동안, 항성 탄소 대부분은 별 내부에 잠겨 있었다.
탄소 핵 일부는 핵연료가 되었고, 헬륨과 융합하여 산소, 규소, 철 같은 더 무거운 원소들로 변화했다.
수백만 년 동안 격렬한 항성 대류 현상이 일어나자 탄소는 점차 항성 표면으로 모습을 드러냈다.
곧이어 자기장과의 격렬한 상호작용으로 인해 외부로 밀려난 강력한 항성풍을 타고 탄소 원자는 별을 탈출했다.
우주 탄화 과정의 시작이다.
그러나 우주 탄화는 대부분 초신성 같은 거대한 별이 죽을 때 일어난다.
별의 죽음과 함께 내부에 있던 엄청난 양의 물질이 우주로 방출되기 때문이다.
태양 정도의 중간 크기 별에서 별은 마지막에 백색왜성으로 붕괴하면서 핵반응이 끝나고 탄소로 가득한 별이 된다.
백색왜성은 하늘에 박힌 다이아몬드로 탄소 알갱이 대부분이 영원히 그 별에 갇혀 있다.
태양보다 큰 별이 죽을 때는 충분히 높은 내부 압력과 온도가 탄소-12를 알파입자와 융합하여 더 무거운 원소(산소-16, 네온-20, 마그네슘-24 등)으로 변화시킨다.
이러한 변화는 별에 에너지를 더해 주고, 새로운 원소를 만들며, 별을 팽창시키는 핵반응을 일으키고, 핵반응의 최종 산물인 철-56을 생성할 때까지 몇 초 동안 격렬하게 이어진다.
별의 중심이 철로 바뀌면 중력의 힘이 우세해지면서 별의 모든 질량이 거의 빛의 속도로 안으로 당겨지면서 온도와 압력이 엄청나게 치솟아, 결국 중력 붕괴 현상이 일어난다.
주기율표 원자의 절반 이상이 이 과정에서 만들어지고, 별의 분해와 함께 온 우주로 퍼져나간다.
현재 우주에 있는 탄소 대부분은 이렇게 만들어졌다.
탄소는 유사 이전부터 숯의 형태로 사용되어 왔으며, “carbon”이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 "carbo"에서 왔다.
이 이름은 라부아지에가 명명하였다.
그러나 오늘날에는 탄소가 있다고 해서 무조건 유기물이 될 수 있는 것은 아니다.
이것은 일산화탄소는 무기물에 해당되기 때문이다.
따라서 오늘날에는 홑원소물질인 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물을 총칭한 분자를 유기물로 본다.
탄소 동소체에는 부드러운 흑연과 가장 단단한 자연물인 다이아몬드가 있다.
탄소 원자는 같은 탄소 원자는 물론 다른 원자와 쉽게 화학 결합을 하며, 적합한 다가 원자와 안정된 다양한 공유 결합을 이룰 수 있다.
지금까지 발견된 화합물 대부분이 약 1천만 개로 추정되는 탄소 화합물이다.
탄소는 가장 높은 승화점을 가지고 있는 원소이다.
흑연은 열역학적으로 안정하지만 충격에 취약한 비편재화된 π 결합 때문에 표준 조건에서 다이아몬드보다 반응성이 훨씬 크다.
예를 들면 표준 조건에서 높은 온도의 진한 질산은 흑연의 육각형 구조를 보존하는 대신 더 큰 구조를 분해하면서 흑연을 C6(CO2H)6의 멜리트산으로 산화시킨다.
탄소는 온도 의 탄소 아크로 승화한다.
따라서, 어떤 동소체든지 탄소는 텅스텐과 레늄 같은 가장 높은 녹는점을 가진 금속의 녹는점에서도 고체 상태를 유지한다.
열역학적으로 산화되기 쉬우나, 탄소는 철이나 구리 같이 표준 조건에서 약한 환원제로 작용하는 원소보다 산화에 더 효과적으로 저항한다.
탄소는 여섯 번째 원소로, 바닥 상태 전자 배열은 1s22s22p2이며 원자가 전자는 4개이다.
탄소의 전기음성도는 2.5로, 같은 14족 원소(1.8~1.9)보다 훨씬 크지만 대부분의 인근 비금속과 2~3주기의 전이 금속과 가까운 수치다.
일반적으로 공유 반지름은 배위수가 낮을수록, 결합 차수가 높을 수록 감소한다.
탄소 화합물은 지구상 모든 생물들의 삶에 근본적인 영향을 끼치며, 탄소-질소 순환은 태양과 여러 별들에 의해 만들어진 에너지를 제공해주는 역할을 한다.
다양한 화합물을 형성하지만 대체로 표준 조건에서는 상대적으로 반응성이 낮다.
표준 온도 압력에서 매우 강한 산화제를 제외하고는 반응성이 낮다.
황산, 염산, 염소, 그리고 다른 알칼리 금속과 반응하지 않는다.
고온에서 탄소는 산소와 반응하여 일산화 탄소를 형성하며, 금속 산화물을 환원시킨다.
이 발열 반응은 제철 산업에서 철을 제련하고 강철의 탄소 함량을 조절하기 위해 다음과 같이 쓰인다.
다음은 탄소의 기체와의 반응으로, 황과 반응시 이황화탄소를, 수증기와 반응시 일산화탄소를 생성한다.
탄소는 고온에서 일부 금속과 결합하여 강철에서의 철 탄화물인 시멘타이트나, 연마제로나 바이트로 끝을 강화하는데 쓰이는 탄화텅스텐 같은 금속 탄화물을 형성한다.
탄소 동소체는 서로 매우 다른 특성을 가지고 있다.
그리고 물리학에서 탄소는 원자간의 상대 질량을 나타내는 기본 단위로서의 역할을 한다(12C, 즉 탄소 12를 12로 기준함. 이에 적용하면 수소 원자의 질량은 1이 됨).
그리고 자연에 미량으로 존재하는 14C, 즉 탄소 14는 방사성 원소로서 5730년의 반감기를 통하여 14N으로 변환되는 현상(반감기가 지나면 양이 절반씩 줄어든다)을 이용하여 약 500~5만 년 정도의 화석이나 고고학적 표본의 연대를 측정하는 방사성 탄소연대 측정법에 사용한다.
생물이 살아있을 때는 방사성 탄소도 계속 공급되다가 생물이 죽으면 더이상 탄소가 공급되지 않아 방사성 탄소의 양이 더이상 늘어나지 않고 14N로 변화한다.
단일 탄소 원자는 매우 수명이 짧다.
따라서 탄소는 보통 여러 분자 배열을 가진 다양한 원자 구조, 즉 안정적인 동소체로 존재한다.
대표적인 탄소 동소체로는 비정질 탄소, 흑연, 다이아몬드 등이 있다.
신물질인 풀러렌은 오늘날 주로 합성하여 연구에 사용되며, 풀러렌에는 버크민스터풀러렌, 탄소 나노튜브, 탄소 나노돌기, 탄소 나노섬유 등이 있다.
이외에도 론스달라이트, 유리상 탄소
, 탄소 나노폼, 선형 아세틸렌성 탄소 등이 있다.
2009년 기준으로 그래핀은 현재까지 실험적으로 검증된 가장 강한 물질이다.
흑연에서 그래핀을 분리하는 공정은 아직까지 경제성이 떨어져 추가적인 기술 발전이 필요하다.
저렴한 공정이 개발된다면, 그래핀은 우주 엘리베이터 건설에 사용될 수 있을 것이다.
그리고 수소 연료 자동차에서 안전한 수소 저장고를 만드는 데 사용될 수도 있다.
탄소 원자들은 결정 구조를 이루지 못하고 불규칙한 비정질 상태로도 존재한다.
이때 탄소는 분말 형태이며, 숯, 카본 블랙(그을음), 활성탄의 주 재료이다.
대기압에서 탄소의 가장 안정한 상은 흑연인데, 각 원자들이 방향족 탄화 수소에서 삼각평면 구조로 결합해 육각 고리 패턴을 형성하고 있다.
따라서 흑연은 판상 구조를 하고 있으며, 각각의 판은 약한 판데르발스 힘으로 결합되어 있다.
각각의 판들은 미끄러지기 쉬우며 충격에 약하기 때문에 흑연은 부드럽고 쉽게 쪼개지는 특성을 가지고 있다.
탄소의 최외각 전자가 4개이므로 흑연에서 세 개의 공유 결합을 이루고 남은 전자는 π-오비탈의 형태로 비편재화되어 있기 때문에 흑연은 전기 전도도가 높은 물질이다.
그런데 전자는 각각의 판 사이에서만 이동할 수 있기 때문에 대부분의 금속보다 낮은 벌크(Bulk) 전기 전도도를 가진다.
비편재화는 실온에서 흑연이 다이아몬드보다 안정한 이유 중 하나이다.
초고압에서 탄소는 다이아몬드 상을 가진다.
다이아몬드는 흑연보다 밀도가 두 배 가량 높다.
다이아몬드에서 각 탄소 원자들은 사면체 결합을 하고 있으며, 규소, 게르마늄과 같은 입방체 구조를 하고 있다.
다이아몬드는 매우 강한 공유결합을 하고 있어, 자연물 중에서는 경도가 가장 높은 물질이다. "다이아몬드는 영원하다"는 통념과는 반대로, 다이아몬드는 STP 하에서 열역학적으로 불안정하며(Δf"G"°(다이아몬드, 298K) = 2.9kJ/mol) 흑연으로 상전이한다.
하지만 활성화 에너지 장벽이 매우 높아서 STP에서는 매우 느리게 일어나는 현상이다.
상도표에서 탄소의 저압, 저온 상태는 실험적으로 정확히 확인되지 않았지만, 밀도 함수 이론을 통한 연구를 통해 0 K, 0 Pa에서 다이아몬드가 흑연보다 1.1 kJ·mol−1 더 안정하다는 사실을 밝혀냈다.
특정 조건에서 탄소는 다이아몬드처럼 모든 원자가 공유결합된 육방 결정 격자인 론스달라이트 상을 가진다.
풀러렌은 합성 결정체로, 흑연과 비슷한 구조를 하고 있지만 육각형 고리로만 구성된 흑연과는 달리 오각형 또는 칠각형 고리를 가지고 있다.
탄소 원자들이 흑연 판에서 떨어져 나가거나 새로 추가되면 판은 구, 타원구, 원통 형태로 휘게 된다.
풀러렌은 버크민스터풀러렌(버키볼), 탄소 나노튜브(버키튜브), 탄소 나노돌기로 나눌 수 있다.
풀러렌의 특성은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 나노 물질 분야에서 활발히 연구되고 있다.
풀러렌과 버크민스터풀러렌(버키볼)이라는 명칭은 디오데식 돔의 발명가인 리처드 버크민스터 풀러의 이름을 딴 것이다.
버크민스터풀러렌은 삼각피라미드 분자 구조를 하고 있는 고분자 물질이며, 회전 타원체 형태이다. (가장 잘 알려져 있고 단순한 것은 축구공 모양의 C 버크민스터풀러렌이다) 탄소 나노튜브는 버크민스터풀러렌과 구조적으로 비슷하지만, 속이 빈 원통 형태로 굽은 판에서 각 원자들이 삼각피라미드 구조로 결합해 있다.
탄소 나노돌기는 2007년에 처음 밝혀졌으며, 버크민스터풀러렌이 탄소 나노튜브에 공유결합되어 있다.
탄소 나노폼은 1997년에 발견된 강자성 동소체이다.
6원자 및 7원자 고리에서 탄소 원자들이 삼각 결합하고 있는 삼차원 망에서 원자들이 저밀도 클러스터 조립으로 뭉쳐져 있다.
탄소 나노폼은 밀도가 2kg/m밖에 되지 않는다.
유리상 탄소는 밀폐기공률이 매우 높지만, 흑연과는 달리 판이 나란히 쌓이지 않고 불규칙하게 배열되어 있다.
선형 아세틸렌성 탄소의 화학 구조는 ―(C:::C)―이다. "sp" 혼성 오비탈로 선형 결합하고 있으며, 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 이어지는 카르빈 중합체이다.
영률이 다이아몬드의 40배이기 때문에 나노 기술 분야에서 상당한 관심이 쏟아지고 있다.
2015년, 노스 캐롤라이나 주립 대학의 한 연구팀은 비정질 탄소 분말에 짧은 시간동안 고에너지 레이저를 쏘아, Q-탄소라 명명한 새로운 탄소 동소체를 발견했다.
Q-탄소는 강자성이자 형광 물질이고, 다이아몬드보다 경도가 높은 것으로 밝혀졌다.
유기물(유기 화합물, )는 구조의 기본 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭한다.
이에 반하여 무기물(무기 화합물, )은 탄소를 포함하지 않는 화합물의 통칭이나, 영어 명칭에서 보듯이, 유기물은 생명체의 활동에 의해 생기는 것이라는 의미로 생성된 명칭이어서, 탄소를 포함하지만 생물 유래가 아닌 화합물은 무기물로 분류한다.
앙금 생성 반응을 통해 산출되는 탄산 칼슘, 탄산 바륨 등은 흰색 앙금이며, 이 앙금들은 산과 쉽게 반응하여 이산화 탄소와 물을 발생한다.
따라서 탄산 이온(CO32-)을 검출할 때, 이러한 앙금이 유용하다.
생명 현상을 유지하는 데 필요한 기본적인 화합물로서, 사람뿐만이 아닌 모든 생명 활동의 기본으로 수많은 유기물이 존재하고, 생물체가 유기물을 사용된다.
탄소를 포함하지만 무기물로 분류된 화합물 중 대표적인 것이 이산화탄소인데, 최근 지구 온난화와 관련하여 탄소 배출권 등의 형태로 사용량을 규제하려는 움직임이 커지고 있다.
유기물질은 광물에서 얻을 수 있는 무기물질의 상대적 개념으로 살아있거나 있었던 생물에서 얻어지는 물질을 유기화합물이라 했었는데 오늘 날에는 화합물의 구성원자중 탄소를 포함하며 그 물질을 분해하는 과정에서 에너지를 얻을 수 있으면 유기물, 없으면 무기물이라 한다.
과거부터 연필 등의 형태로 사용되어온 흑연과 보석이면서 모든 광물 중 가장 경도가 높은 다이아몬드, 극저온 상태에서 초전도 현상을 보이고 수지의 내구성 및 내열성을 높일 수 있는 풀러렌, 반도체의 성질을 가지는 탄소 나노튜브 등이 사용된다.
다른 동소체로, 그래핀이라는 2차원 구조의 물질이 있다.
붕소(硼素←, )는 준금속 화학 원소로 기호는 B(←)이고 원자 번호는 5이다.
붕소는 홑원소 물질로는 자연에 존재하지 않고 붕사나 붕산석 등의 붕산염 광물로 산출된다.
순수한 홑원소 물질로의 분리는 프랑스의 앙리 무아상이 1892년 산화 붕소에서 분리시켰다.
원소명은 아라비아어의 붕사(buraq)에서 유래하였다.
1909년이 되어서야 순도가 높고 불순물이 섞이지 않은 붕소를 얻어낼 수 있었다.
붕소는 홑원소 상태에서 탄소와 비슷한 흑회색이다.
다이아몬드 다음으로 단단하다고 알려져 있다. 하지만 산소나 탄소 등과 반응해, 산화 붕소 또는 탄화 붕소를 만들면 다이아몬드보다 물렁물렁해진다.
붕소는 비금속 원소로 간주할 수 있는 3A족 원소 중 유일한 원소이다.
붕소와 수소로만 구성되어 있는 화합물 집단을 보레인(borane) 화합물이라고 한다.
가장 간단한 보레인은 BH3이다.
이 분자는 여섯 개의 원자가 전자만 갖는다.
따라서 팔전자 규칙의 예외이다.
이 반응은 Lewis 산-염기 반응으로 간주할 수 있다.
각 BH3에서 하나의 BH 결합 전자 쌍이 다른 분자에게 전자 주개 역할을 한다.
결과적으로 다이보레인은 수소 원자가 두 개 결합을 생성하는 특이한 분자이다.
다리놓인 수소(bridging hydrogen)라고 하는 이러한 수소는 흥미로운 화학 반응성을 보인다.
두 개의 붕소 원자 간에 수소 원자의 공유는 각 붕소 원자의 원자가 전자의 결핍을 다소 보완한다.
그럼에도 불구하고 다이보레인은 격렬하게 반응하는 큰 분자이고, 공기 중에서 자발적 가연성이다.
산화 붕소나 탄화 붕소는 다이아몬드보다 단단하다고 알려져 있다. 하지만 희귀하다는 이유로, 잘 쓰이지 않는다.
붕소의 색상은 흑회색이지만 유리(주로 이산화규소(SiO2)로 구성됨)에 섞으면 투명해지며, 붕소를 포함한 유리는 열팽창률이 작아 내열유리, 조리용 주전자, 화학실험 플라스크, 비커 등에 사용된다.
붕산을 포함한 붕산수는 고속 중성자를 매우 잘 흡수하기 때문에 고준위 방사성 폐기물을 담구어 보관하거나 원자로의 비상냉각시스템에 쓰인다.
붕산(H3BO3)은 살균작용이 있어 바퀴벌레약이나 눈 세정제 등의 약품에 널리 사용된다.
10B 동위원소는 열중성자를 아주 잘 포획하는데, 중성자의 에너지에 따라 다르지만, 그 능력은 11B의 대략 100만 배 정도이다.
이 때문에 10B 동위원소 화합물들은 원자력 산업에서 핵반응 조절제, 응급 핵반응 중지제, 그리고 핵연료 재충전을 위한 가동 정지제로 사용된다.
2001년 일본 아오야마가쿠인(靑山學院) 대학의 아키미츠 준(秋光純) 교수팀이 이붕화 마그네슘(MgB2)이 39K라는 비교적 고온에서 초전도 현상을 나타내는 것을 발견하였으며, 재미 한국인 과학자인 최형준 박사가 그 초전도성 메커니즘을 최초로 규명하였다.
베릴륨(, ←)은 알칼리 토금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Be(←)이고 원자 번호는 4이다.
실온에서 가볍고 단단하며 부서지기 쉬운 은회색의 금속으로 존재한다. 2가 양이온이 되려는 경향이 있고 자연에서는 순수한 형태로 발견되지 않으며, 주로 녹주석, 금록석 등에서 산출된다.
우주에서는 항성 핵합성에 의해 생성된 베릴륨의 수명이 짧으므로 그 존재 비율이 매우 작다.
베릴륨은 알루미늄, 구리, 철, 니켈 등의 금속과 혼합하여 합금을 만들면 여러 가지 물리적 성질이 향상되는 효과를 볼 수 있다.
또한, 비중이 1.85로 가볍고 단단한데다가 열 전도율이 높아 미사일, 우주선, 인공위성 등 항공우주 분야와 전기·전자, 원자력, 합금 등에 사용된다.
그러나 독성이 있어 베릴륨에 노출되면 베릴륨증 (berylloids) 과 같은 증상이 나타날 수 있으므로 취급할 때 주의가 필요하다.
베릴륨 화합물은 2족 원소의 화합물이 보통 이온 결합 물질인 것과는 다르게 공유 결합 물질로 간주된다.
이는 다른 알칼리 토금속에 비해 원자 반지름의 크기가 작은 것에 기인하며, 같은 이유로 2족 원소의 산화물은 보통 염기성을 띠는 반면, 베릴륨 화합물은 양쪽성 물질로 작용하는 경우가 많다.
이러한 성질은 같은 2족 원소들보다 13족 원소인 알루미늄에 더 가까우며, 이는 베릴륨과 알루미늄에서 전하량과 원자 반지름의 비율이 비슷하기 때문이다.
공기 중에서 반응할 경우, 표면에 산화 피막이 형성되어 1000°C 이상으로 가열될 때까지 반응하지 않으며, 발화하면 밝은 빛을 내면서 질화 베릴륨(Be3N2)과 산화 베릴륨이 생성된다.
산화 베릴륨은 내화성이 있는 흰색 고체로 열 전도율이 뛰어난 절연체이며, 산화물로서는 특이하게 양쪽성 물질이다.
수산화 베릴륨(Be(OH)2) 또한 양쪽성 물질로, 보통 베릴륨 염을 생성할 때는 이 물질과 산을 반응시켜 얻는다.
또, 베릴륨은 고온에서 할로젠, 수소, 탄소 등과 반응하여 각각 할로젠화 베릴륨, 수소화 베릴륨, 탄화 베릴륨을 형성한다.
이 중 탄화 베릴륨(Be2C)은 적색의 내화성이 있는 고체로 물과 반응하여 메테인을 생성한다.
황, 셀레늄, 텔루륨 등 산소족 원소와는 1:1 비율로 결합하여 화합물을 형성할 수 있으며, 그 결정 구조는 모두 등축정계이다.
또, 염산이나 묽은 황산에는 쉽게 녹지만 저온의 진한 질산이나 물에서는 표면에 산화 피막이 형성되므로 잘 반응하지 않으며, 알칼리성 용액에서는 Be(OH)42- 이온을 형성하고 수소 기체를 발생시키며 녹는다.
양쪽성 물질로 작용하는 산화 베릴륨도 알칼리성 수용액에 녹아 같은 이온을 형성한다.
베릴륨은 원자가 전자가 2개이며, 주로 +2의 산화수를 가진다.
따라서 주로 2개의 공유 결합을 형성하여 화학 반응에 참여한다.
옥텟 규칙에 따르면 원자들은 원자가 전자 8개를 채워 비활성 기체와 같이 안정한 상태로 되려는 경향이 있으나, 베릴륨은 배위 결합 화합물에서 배위수가 4가 되려는 경향이 있는데, 이는 2개의 공유 결합이 8개의 전자 중 절반을 채우기 때문이다.
이렇게 배위수가 4가 되려는 성질 때문에 플루오린화 베릴륨이나 염화 베릴륨과 같은 베릴륨 화합물은 고분자의 형태를 가질 수 있다.
또, 베릴륨은 유기 배위 화합물도 형성할 수 있고, 알킬기와 같은 작용기의 탄소 원자와 직접 결합할 수 있다.
베릴륨은 실온에서 은회색의 단단한 금속으로, 육방 밀집 구조의 결정 구조를 가지고 있다.
전성과 연성이 낮고 부서지기 쉬우나, 영률이 287 GPa로 매우 크고 탄성 계수가 강철의 1.33배 정도로 뛰어나며 비중은 1.85로 비교적 낮은 밀도를 가진다.
이러한 특성들이 복합적으로 작용하여 실온에서의 음속이 12890m/s 정도로 매우 빠르다.
또, 베릴륨의 열 전도율은 216 W·m−1·K−1로 단위 질량 당 열 소산 능력이 가장 뛰어난 금속이다.
또, 알파 입자를 충돌시켰을 때 아래 반응식과 같이 중성자를 방출하는 성질이 있다.
이러한 성질을 이용하여 알파 붕괴하는 원소들과의 혼합물이 중성자원으로 많이 사용된다.
그리고 다른 금속 원소들에 비해 X선과 감마선을 투과하는 능력이 월등히 뛰어나 X선관의 창을 만들 때도 사용된다.
열중성자에 대한 산란 단면적도 커서 원자로에서 중성자 감속재와 핵연료의 피복재로도 사용된다.
베릴륨의 동위 원소들은 모두 항성에서 생성되나, 수명이 길지는 않다.
현재 우주에 존재하는 대부분의 안정한 베릴륨은 성간물질에 있는 중원소들이 우주선과 상호작용하여 생성된 것으로 추정된다.
생성된 베릴륨은 현재까지도 9Be의 한 가지 안정 동위 원소로만 이루어져 있으며, 7Be(반감기 약 53일), 10Be(반감기 약 140만 년)을 제외한 나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 15초 미만이다.
미량 방사성 동위 원소인 10Be은 대기 중의 산소와 질소가 우주선 파쇄를 거침으로써 생성된다.
10Be은 토양에 축적되며, 약 140만 년의 반감기를 거쳐 10B로 붕괴한다.
10Be와 그 붕괴 생성물의 비율은 토양의 형성 및 침식, 라테라이트 연구, 태양 활동의 변화와 빙핵의 연대를 측정하는 데 사용된다.
특히 태양 활동의 활동성과 10Be의 생성 비율은 반비례하는데, 이는 태양 활동이 활발한 동안 태양풍이 강해져 지구에 도달하는 우주선의 양을 감소시키기 때문이다.
또, 고속의 중성자가 대기 중의 이산화 탄소에 일정 비율로 존재하는 13C과 반응할 때도 10Be이 생성되므로 과거에 행해진 핵실험의 증거가 될 수 있다.
한편, 베릴륨은 최외각 전자가 아닌 가장 안쪽 전자껍질의 전자도 화학 결합에 참여할 수 있다.
반감기가 약 53.2일인 7Be은 미량 방사성 동위 원소이며, 10Be과 같이 태양 활동에 따라 그 양이 변한다.
이 동위 원소는 전자 포획을 통해 붕괴하는데 이 때 결합에 참여하는 원자 궤도를 도는 전자를 포획할 수 있다.
이러한 점 때문에 전자 배치에 따라 붕괴 속도가 달라지는 현상이 나타나는데, 이는 방사성 붕괴에서 매우 드문 현상이다.
베릴륨이 포함된 광물인 녹주석과 에메랄드는 이집트 프톨레마이오스 왕조 이전부터 알려져 있던 것으로 추정된다.
1798년에 르네쥐스트 아위가 녹주석과 에메랄드를 비교하여 매우 유사하다는 것을 밝혀냈으며, 같은 해 프랑스의 화학자 루이 니콜라 보클랭이 에메랄드와 녹주석에서 산화 알루미늄과 비슷한 베릴륨 염을 발견하고, 단맛이 난다는 사실을 밝혔다.
1828년에는 독일의 화학자 프리드리히 뵐러와 프랑스의 앙투안 뷔시가 각각 아래와 같은 화학 반응식처럼 염화 베릴륨(BeCl2)을 칼륨과 반응시켜 처음으로 순수한 베릴륨을 발견하였다.
1898년에는 프랑스의 화학자 폴 르뷰(Paul Lebeau)가 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 나트륨의 혼합물을 용융시킨 후 전기분해하는 방식을 이용하여 처음으로 고순도(99.5 ~ 99.8%)의 베릴륨을 얻는 데 성공하였다.
한편, 최초로 베릴륨을 발견한 당시에는 단맛을 내는 베릴륨 염에서 이름을 따 달다는 뜻의 그리스어 '글루코스()'에서 유래한 글루시늄(Glucinium, 원소 기호: Gl)으로 명명되었으나, 1957년 녹주석(, )의 이름을 딴 베릴륨으로 공식 변경되었다.
1932년에는 제임스 채드윅이 폴로늄에서 방출되는 알파 입자를 베릴륨 판에 충돌시킨 후에 방출되는 투과력이 강한 방사선을 파라핀에 쬐는 실험을 통해 중성자를 발견하였다.
이후로는 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 원소들과 베릴륨을 혼합하여 중성자원으로 사용하였으며, 1942년 엔리코 페르미가 최초로 제어된 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 때도 알파 붕괴하는 라듐과 베릴륨을 섞은 중성자원이 사용되었다.
제2차 세계 대전 기간 동안에는 베릴륨 생산량이 급격하게 증가하였는데, 이는 단단한 베릴륨구리와 형광등 제조에 사용되었다.
그러나 베릴륨의 독성이 알려지면서 1949년 이후 베릴륨 화합물을 이용한 형광등 제조는 중단되었다.
지구의 지각에는 약 2.8 ppm 정도의 베릴륨이 포함되어 있으며, 그 중 토양에서 6 ppm 정도로 가장 많이 축적되어 있다.
대기 중에서도 극소량 발견된다.
베릴륨은 100종류 이상의 광물에서 발견되나, 대부분은 희귀한 광물이다.
이들 광물이 띠는 색은 그 안에 포함된 소량의 크로뮴의 농도에 따라 달라진다.
아르헨티나, 브라질, 인도, 마다가스카르, 러시아, 미국 등지에 많이 분포되어 있으며, 전 세계 베릴륨 광석의 매장량은 40만 톤 이상이다.
인체에도 미량 포함되어 있다.
베릴륨은 고온에서 산소와의 결합력이 매우 크고 산화 피막을 제거했을 경우 물을 환원시키는 능력이 커서 순수한 형태로 분리하는 것이 상당히 어렵다.
주요 생산국은 미국과 중국이다.
녹주석을 규불화 나트륨(Na2SiF6)과 함께 700°C 이상으로 가열하면 수용성의 플루오린화 베릴륨(BeF2)을 생성된다.
플루오린화 베릴륨은 다시 1,300°C 이상에서 마그네슘으로 환원시키거나 수용액을 pH 12로 조절하여 수산화 베릴륨(Be(OH)2)을 침전시켜 얻기도 한다.
마그네슘으로 환원시켜 얻을 경우의 반응식은 아래와 같다.
한편, 수산화 베릴륨은 가열하면 산화 베릴륨(BeO)이 되며, 이것을 탄소와 염소와 반응시키면 염화 베릴륨(BeCl2)이 생성된다.
이 물질을 염화 나트륨(NaCl)과 함께 용융시킨 후 전기분해하면 순수한 베릴륨을 얻을 수 있다.
베릴륨은 항공우주, 원자력, 금속 공업, 세라믹 제조 등에 널리 사용되며, 합금의 형태로 치과용 재료, 전자 제품, 스포츠 용품, 휠체어 및 각종 도구를 제작하는 데 쓰인다.
그러나 대부분 군사적으로 사용되는 것으로 추정되므로 관련 정보가 공개되지 않은 것도 있다.
베릴륨은 구리나 니켈, 철과 혼합하여 강도가 높은 합금을 만드는 데 사용된다.
구리에 베릴륨을 2% 가량 첨가하여 만든 베릴륨구리는 구리보다 강도가 약 6배 정도 커지고 내마모성 합금이기 때문에 내마모성이 필요한 강력 용수철, 자이로스코프, 가속도계, 항공기 엔진, 도구 등에 사용된다.
특히 폭발의 위험이 있는 곳에서는 충격을 가해도 불꽃이 튀지 않는 도구를 사용해야 하는데, 베릴륨구리는 그 강도가 매우 커서 불꽃이 잘 튀지 않는다.
니켈에 2% 정도의 베릴륨을 첨가한 합금은 용수철, 용접 도구, 클립, 전열기의 제작에 사용되며, 치과에서는 의치로도 사용된다.
베릴륨 합금은 고속 항공기, 미사일, 인공위성, 우주선의 여러 가지 부품에 사용되며, 자전거 프레임과 골프채 등 스포츠 용품에도 사용된다.
또, 베릴륨은 마그네슘이나 은 합금 등 다른 금속의 산화 방지에도 이용되며, 한때는 군용기의 브레이크에 사용되다가 환경오염 문제로 인해 다른 금속으로 대체되었다.
베릴륨은 다른 중성자원에 비해 상대적으로 적은 양의 중성자를 발생시켜야 하는 실험에서 중성자원으로 쓰인다.
베릴륨의 유일한 안정 동위 원소인 베릴륨-9가 알파 입자와 충돌하면 중성자를 발생시키는 점을 이용한 것으로, 보통 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 폴로늄, 라듐, 플루토늄, 아메리슘 등의 방사성 동위 원소를 사용한다.
베릴륨-9 원자핵과 알파 입자가 충돌하면 탄소-12 원자와 중성자가 생성되며, 그 반응식은 아래와 같다.
이러한 중성자원은 초기의 핵무기에 사용되기도 하였다.
또, 베릴륨은 감마선을 쬘 때도 중성자가 방출되므로 감마 붕괴하는 방사성 동위 원소들과 함께 사용하여 중성자원으로 쓰기도 한다.
베릴륨 화합물은 원자로에서 냉각재나 감속재로 사용되기도 한다.
플루오린화 베릴륨은 용융염 원자로에서 감속재, 냉각재, 용매의 성분으로 사용되며, 산화 베릴륨(BeO)은 중성자 감속재로 사용된다.