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지구 표면
지구의 표면은 대륙과 해양의 두 부분으로 나뉜다. 육지의 평균 높이는 840m인데, 해안평야·구릉·대지(臺地)·산맥 따위의 복잡한 기복을 가지고 있다. 산맥이 되어 있는 지역은 면적은 크지 않으나, 그 대부분은 대륙의 내부보다 바다에 가까운 곳에 있어서 조산대(造山帶)라고 일컬어지는 특별한 지역으로 되어 있다. 고산(高山)의 사면(斜面)에는 많은 골짜기가 패어 있고, 이들 골짜기를 흘러내리는 물은 하천이 되어 바다로 들어간다. 하천의 유수는 지표의 암석을 침식하고 대소의 암설(岩屑)을 운반하여 하류 유역이나 해저에 이들 물질을 퇴적한다.  지표는 지각의 내부 마그마(magma)의 작용 등에 의하여 끊임없이 융기와 침강을 일으킨다. 또한 대기나 물의 작용으로 풍화·침식을 받고 있다. 말하자면 지표는 지각의 운동과 대기나 물에 의한 풍화·침식의 작용의 복합으로 인하여 복잡한 기복이 만들어지고, 그 형태가 끊임없이 바뀌고 있다고 할 수 있다.
지구 자전과 공전
지구는 23시간 56분 4.091초 주기로 자전하며, 그 축은 북극과 남극을 잇는 선이다. 그 방향은 지구의 북극에서 보았을 때 시계 반대방향이다. 그 결과 지구에서 천체들이 한 시간에 15도씩 동에서 서로 이동하는 것처럼 보이는 일주운동을 관찰할 수 있다.
지구는 태양을 365.2564 태양일 주기로 공전하고 있다. 이 때문에 지구에서 보았을 때 태양이 다른 천체들을 배경으로 하여 하루에 1도씩 서에서 동으로 이동하는 현상을 볼 수 있다.
지구의 궤도 속도는 평균 초속 30 km 정도인데, 이 속도는 지구의 지름은 7분만에, 달까지의 거리는 4시간 만에 통과할 수 있는 속도이다.
지구는 하나의 위성, 달을 거느리고 있다. 달과 지구는 공동질량중심을 27.32일의 주기로 회전하고 있으며 이를 항성월이라고 한다. 한편, 지구와 달의 회전이 일어나는 동안 지구 역시 태양주위를 공전하고 있기 때문에 태양과 달의 상대적인 위치가 되풀이되는 데에는 항성월 보다 조금 더 긴 29.53일이 걸리며 이 기간을 삭망월이라고 지칭한다.
지구 자전과 공전
공전 궤도면에 수직인 방향과 자전축은 서로 일치하지 않고 23.5도나 차이가 난다. 이 기울기 때문에 공전궤도상의 지구의 위치에 따라 태양입사의 각도가 달라지게 되고 계절의 변화를 일으키게 된다. 한편 달의 궤도면은 지구의 공전궤도면과 또 다시 5도의 차이가 있다. 따라서 삭망마다 일식과 월식이 반복되지 않는다.
관성좌표계(지구의 자전, 공전과 관계없이 태양에 고정되어 있는 좌표계)에서 지구는 세차운동을 한다. 세차운동이란 지구의 자전축이 긴 시간을 주기로 원뿔모양을 그리면서 회전하는 것을 일컫는데, 그 주기는 25,800년 (258세기)이다. 세차운동은 태양의 중력이 지구의 볼록타원체에 차등적으로 가해져서 생기는 현상인데, 비슷하게 달에 의해서도 자전축이 흔들리며 그 주기는 18.6년이고 장동이라고 부른다.
지구 자전과 공전
지구와 함께 회전하는 좌표계에서도 지구의 자전은 약간의 불안정함을 보이는데, 이것을 극운동이라고 한다. 극운동은 준주기적인 운동이며, 연주기성분과 챈들러 운동이라고 하는 14개월 성분으로 이루어져 있다. 극운동과 함께 지구의 자전 속도 역시 일정하지 않으며 따라서 하루의 길이 역시 달라지게 된다. 때때로 윤초가 삽입되는 것은 이러한 영향을 보상하기 위해서이다.
달과의 인력과 바다의 밀물과 썰물의 상호관계 때문에 지구의 자전 속도는 느려지는데 매년 0.000017초 정도가 느려지고 달과의 거리는 매년 4cm씩 멀어지고 있다.
현재 지구 공전 궤도의 근일점은 1월 3일 부근에 있으며 원일점은 7월 4일 부근에 있다. 세차운동과 밀란코비치 주기로 알려진 현상에 의해서 지구의 공전 궤도는 달라진다.
지구 지구 온난화
지구 온난화는 지구의 평균 기온이 상승하는 현상을 말한다. 산업화 이후, 인류의 과도한 화석 연료 사용으로 인해 추가적으로 발생한 온실 기체가 원인이라는 설이 가장 유력하다. 지구온난화의 예는 1880년대의 -19mm였던 해수면이 1930년 제1회 월드컵 때는 30mm로, 지금은 37mm로 높아져서 지구 온난화로 인해 사라진 섬들이 많다. 최근에는 이런 온난화를 막기 위해 노력하고 있는데, 이를테면 선진국에서 개발한 도심 속의 숲, 전기자동차, 한국에서 개발한 승용차 요일제 등이 있다.
지구 미터법과의 관련
1790년, 프랑스 정부에서 전 세계적인 단위의 표준을 정할 필요성을 느끼고 미터법을 제정할 당시, 거리의 기준을 지구로 삼았다. 그에 따라 지구 적도에서 북극점까지의 거리를 정확하게 10,000Km, 이 거리의 4배인 지구 전체 자오선 길이인 40,000km를 기준으로 하는 미터법이 제정되었다. 전체 자오선 길이가 아닌, 적도에서 북극점까지 거리인 10,000km를 십진법상의 표준으로 삼은 까닭은 당시의 기술 수준으로 남반구 지역에 관측소를 설치하는 것이 용이치 않았기 때문이다. 따라서 1m는 적도에서 극점까지 거리의 1000만분의 1이다. 단, 1983년 이후, 국제단위계에서 미터는 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 진행한 거리로 정의되었다. 미터 항목 참조.
지구 지구 자기장 감소, 소멸
지구에는 자기장이 존재한다. 이는 우주의 방사선을 막아줘 생명체의 존재를 가능하게 해준다. 그러나 이러한 자기장은 150년 동안 세기가 10%가량 감소하여 이는 대규모 지진·화산 활동, 기후변화, 동물들의 대량 멸종사건에 영향을 미치고 있으며, 자기장의 소멸로 대기를 잃은 화성과 같이 지구 또한 미래에 대기를 잃을 수 있다고 과학자들은 말하고 있다.
지구 제2의 위성 논란
지구와 궤도 공명을 하는 소행성 크뤼트네(Cruithne)는 1986년 발견되었으며 지구와 달의 중력의 영향을 받아 찌그러진 말굽형 궤도로 지구를 돌고 있다. 최대 직경 5 km 소행성 크뤼트네는 천구 상에서 원위치로 돌아오기까지 360년이 걸린다. 크뤼트네는 달에 비해 궤도 운동이 복잡한데 달이 단순히 지구의 주위를 도는 것에 비해, 크뤼트네는 그냥 지구의 주위를 도는 것이 아니라, 지구와 같은 주기로 지구의 궤도를 따라 지구와 함께 태양 주위를 돌기 때문이다. 물론 지구 고정 좌표계에서 보면, 이 천체가 분명 지구의 주위를 도는 듯이 보이지만, 엄밀히는 태양의 주위를 지구와 같이 돌고 있는 것이다.
이런 식으로 궤도 공명을 하는 천체들을 힐 권 내에서 공전하는 달(satellite)과 구분해서 준달 또는 준위성(quasi-satellite)라고 부른다. 이 준위성도 역시 케플러의 법칙을 따르기 때문에 타원궤도(elliptic orbit)를 돌며, 면적속도(area velocity)가 일정하다. 앞으로 이러한 일이 또 일어날 수 있다.
고고학
고고학(考古學, archaeology 또는 archeology)은 물질과 동식물, 인류가 지난 시대에 남긴 흔적을 찾아내고 이들의 말없는 역사를 밝히는 학문으로 사회과학의 일종이다.
고고학
인도 유럽어 Archeology, Archéologie, Archäologie 등의 여러 낱말은 고대 희랍어의 "아르햐이올로기아" (arxaiologia, arxaios: "오래된, 원천의" logos: "학")에 유래한다."말없는 역사"라는 표현에서 짐작하듯이 고고학은 역사와 매우 밀접하게 관계한다. 물질과 동식물, 인류가 남긴 흔적과 사건을 기록하고 이를 가능한 한 객관으로 해석한 역사 연구의 뜻이 있다면, 고고학은 사라졌거나 쉽게 주변에서 보기 어려운 과거 인류의 흔적을 추적하고 발굴하여 지난 시대 인류의 문화와 문명 이해에 초점을 두므로 역사시대뿐만이 아니라 인류가 살았던 장소 바로 그 곳에서 고고학 연구의 첫 장이 씌인다. 예컨대 신라 문화와 그 시대 생활상을 고고학상으로 밝히려면 신라인이 살았던 대한민국을 탐사하고 그 유적지와 주거지를 문자 그대로 "파헤쳐" 보는 수밖에 없다. 고고학에 내재한 이런 특수한 전제조건으로 말미암아 고고학은 수시로 지방과 문명을 좇아 나름대로 연구 분야를 개척하고 발전시키게 되었다. 즉 고대 희랍과 로마의 고전 고고학, 이집트 고고학(→ 이집트 문명), 기독교 고고학은 고고학 분야 중에서 독립되고 가장 발달된 분야다. 고고학과 관련된 학문으로서는 역사학, 지리학, 지질학, 생물학, 건축학, 음악사학, 미술사학, 인류학을 손꼽는다.
그러나 고고학은 단지 역사의 물증을 발견하는 학문이 아니다. 고고학은 인간의 흔적 뿐만 아니라 물질, 동물과 식물, 지질의 흔적도 다루기 때문이다. 생물고고학, 지질고고학 등이 하위분야에 속하면서 고고학이 역사학, 혹은 인문학에 속하지 않음을 증명한다.
사진
물리학적으로 사진(寫眞 또는 光畵, Photograph)은 물체에서 반사된 빛과 같은 전자기적 발광을 감광성 기록재료 위에 기록하여 얻은 빛 그림, 즉 광화상을 말한다. 사진은 보통 사진기로 만들어지는데, 사진기는 빛을 모아 사진 필름이나 CCD 또는 CMOS와 같은 이미지 센서에 초점을 맞추어 상을 맺히게 한다. 그리스어의 'photos'(빛)와 'graphien'(그리다)에서 유래한 말로, 1839년 존 F. W. 허셜 경이 처음 사용하였다.
한국어에서 '사진'의 뜻은 아래와 같다.
또한 한국어에서는 사진을 찍는 일을 직업으로 하는 사람은 사진사, 예술 활동으로서 사진을 찍는 사람을 사진작가, 사진에 대한 전문 지식과 기술을 갖춘 사람을 사진가로 분류하기도 한다.
사진 역사
사진은 포토그라피라는 그리스어에서 기원되었다. 사진이 발명되기 이전에도 빛을 평면에 투영하려는 시도는 이미 진행되고 있었다. 16세기 무렵 화가들은 보다 사실적인 그림을 그리기 위해 카메라 옵스큐라(Camera Obscura)라는 장치를 이용했다. 라틴어로 어두운 방이라는 의미인 카메라 옵스큐라는 어두운 방의 한쪽 벽에 작은 구멍을 뚫어 그 반대편 벽에 외부 정경의 역상(逆像)이 맺히게 하는 장치였다. 카메라 옵스큐라는 오늘날 우리가 사용하는 카메라의 원형이지만 아직 빛을 물체에 정착시키는 기능이 없었다. 이는 당시에 회화의 보조적인 수단으로 활발하게 사용되었는데 초기에는 지금의 핀홀카메라처럼 렌즈가 없는 형태였다가 나중에는 보다 선명한 화질을 얻기 위해 렌즈를 부착하는 형태로 발전했다. 이처럼 빛을 통해 상을 맺히게 하여 초상화를 그리는 것을 실루엣 초상기법(profilograph)라고 부른다. 카메라 루시다(Camera Lucida)는 프리즘을 사용하여 그리는 대상과 현재 자신이 그리는 것을 동시에 보게 하여 그림을 그릴 때 도움이 되었다.
사진 역사
부유한 평민들이 늘어남에 따라 회화의 수요는 늘어났지만 실력있는 화가들은 많지 않았다. 이 상황에 자연과학의 진보가 겹쳐, 맺혀있는 상들을 영구적으로 고착시키는 법을 찾고자 했다. 독일인 하인리히 슐츠(Heinrich Schultz)에 의해서 빛의 노출에 따라 질산은의 색깔이 변하는 화학적 반응이 발견되었고 영국인 토마스 웨지우드(Thomas Wedgewood)는 이런 발견을 토대로 빛을 물체에 정착시킬 수 있는 가능성을 실험했다. 그리고 질산은 용액에 담근 종이나 가죽을 카메라 옵스큐라에 장착하여 상을 물체에 일시적으로 고정시키는 것에 성공했지만 끝내 상을 영구적으로 정착시키는 방법을 찾지 못해 결국 성공직전에 막히고 만다. 웨지우드는 실험들을 통해 카메라 개발의 원칙을 세우게 된다.
사진 역사
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 <그라의 창문에서 바라본 조망>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.
사진 역사
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.
사진 역사
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.
사진 역사
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. 당시 코닥사는 "You press the button, we do the rest."라는 광고를 앞세우며 시장에 진입했다. 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 <결정적 순간>이 있다. 20세기 중반 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.
조선에서는 쇄국정책을 펼치던 시기였고, 타국가와의 교류는 공식적인 사절단 파견으로 이루어졌다. 최초로 사진과 접촉했던 한반도 출신 인물은 이의익을 위시한 연행사들인데, 이들은 1862년에 청나라 베이징에 가서 1863년 1월 29일(양력 3월 18일)에 러시아 공사관에서 러시아인 사진관들에게 직접 의뢰해 사진을 찍었다. 이에 대한 기록은 『연행일기』로 알 수 있는데 이는 이의익의 수행원인 이항억이 개인적으로 기록한 사행록을 통해 남긴 것으로 밝혀졌다.
물리학
물리학(한국 한자: 物理學, 영어: physics)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.
물리학
유럽 언어에서 물리학을 뜻하는 단어는 자연을 뜻하는 고대 그리스어: φύσις 피시스[*]에서 유래하였다. 고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스는 《자연학》(Φυσικῆς ἀκροάσεως)에서 여러 가지 운동에 대해 설명하였다. 아리스토텔레스 이후 서양 언어에서는 물체의 운동과 그에 미치는 힘 등을 연구하는 학문을 이 그리스 단어를 따서 부르게 되었다. 예를 들어, 영어: physics 피직스[*], 프랑스어: physique 피지크[*], 독일어: Physik 퓌지크[*] 등이다. 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.
물리학
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.
물리학 범주와 목표
물리학은 만물을 구성하는 기본적인 대상인 원자 내부의 아원자 입자(양성자, 중성자, 전자)부터 가장 크다고 여겨지는 우주 전체까지 현상의 광범위한 범주를 포괄한다. 물체의 운동 및 제반 자연현상(물과 공기의 흐름, 전류, 원자의 움직임 등)의 메커니즘을 규명하고 그러한 현상의 미래를 예측하는 것이다.
물리학의 목적은 자연에 대한 서술이다. 그러므로 물리학자들은 우리 주변에서 일어나는 일의 원인을 알아내어 이성적으로 판단하여 그 원인과 결과를 하나의 이론으로 일반화시킨다. 이때 물리학자들은 과학적 방법론을 따른다.
물리학 철학
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.
물리학 철학
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.
물리학 철학
과학적 방법은 경험에 입각한 귀납적 결론을 이끌어낸다. 따라서 과학적 방법에 의한 지식은 확고부동한 것이 아니며, 언제나 반증될 가능성이 있다. 즉, 새롭게 얻어진 연구 결과에 따라 과거의 과학 지식이 수정되거나 폐기될 수 있는 것이다. 이 때문에, 아인슈타인은 "아무리 많은 실험을 하더라도 내가 옳다고 단정할 수는 없다. 단 하나의 실험으로도 내가 틀렸다는 것이 드러날 수 있기 때문이다."라고 하였다.
한편, 카를 구스타프 헴펠(1905년–1997년)이 지적한 것처럼 과학적 방법은 귀납에 의지하기 때문에, 도출된 결론은 통계적인 것이며 가설을 보강하기 위해서는 베이즈 정리에 따른 엄격한 분석이 필요하다. 루트비그 플렉(1896년–1961년)을 비롯한 과학자들은 과학자의 경험 자체가 편향된 것일 수 있으므로 보다 신중하게 접근할 필요가 있다는 점을 지적하였다.
F. N. 컬린저(F. N. Kerlinger)는 과학적 방법의 특징을 다음과 같이 정리하였다.
과학적 방법의 과정을 간단히 차례를 두어 표현하면 다음과 같다.
물리학 역사
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.
물리학 역사
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.
물리학 역사
20세기 초, 물리학은 새로운 패러다임의 변화를 겪게 되었다. 한 편에서는 알베르트 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하여 고전 물리학에서 불변량으로 다루어져왔던 시간과 공간(장소)은 더 이상 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.
물리학 핵심 이론
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.
물리학 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.
물리학 연구 분야
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 극히 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.
물리학 연구 분야
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.
물리학 연구 분야
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.
물리학 물리학의 분류
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.
물리학 앞으로의 방향
오늘날, 물리학의 연구는 다방면으로 발전해나가고 있다.
응집물질 물리학에서 가장 중요한 미해결 문제는 고온 초전도체이다. 스핀트로닉스와 양자 컴퓨터도 주로 실험 분야에서 노력하고 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 문제 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신의 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.
물리학 앞으로의 방향
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 이론 보관됨 2018-10-15 - 웨이백 머신처럼 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
탄소(炭素, 영어: Carbon 카번[*])는 비금속인 화학 원소로, 기호는 C(←라틴어: Carbonium 카르보니움[*])이고 원자번호는 6이다. 원자가 전자는 4개이다. 존재하는 동위 원소는 총 3개로, 12C와 13C는 안정적인 동위 원소지만 14C는 반감기가 약 5730년인 방사성 동위 원소이다. 탄소는 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.
탄소
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.
탄소 생성
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.
탄소 생성
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.
탄소 생성
오래된 별의 중심에서 헬륨-4(알파입자)가 농축되고, 충돌하는 두 알파입자는 쉽게 융합해 4개의 양성자와 4개의 중성자를 포함하는 베릴륨-8을 형성한다. 베릴륨-8에 알파입자 하나를 추가하면 탄소-12가 된다. 그러나 베릴륨-8은 극도로 불안정해 1000조 분의 1초도 안 되는 찰나에 더 작은 조각으로 분해된다. 따라서 본래 탄소-12는 자연상태에서 존재하기 어렵다. 하지만 여러 과학자들의 측정에 따르면 우주에서 탄소는 4번째로 풍부한 원소이다. 이러한 모순은 자연의 우연이 해결하는데, 탄소-12의 핵은 7.68메가볼트의 에너지량에 공명하는 특성이 있기에 베릴륨-8이 붕괴하는 것보다 훨씬 빨리 알파입자를 낚아챌 수 있다. 호일은 적당한 조건 아래에서 삼중 알파 과정이 일어나 탄소-12 생성 속도가 약 10억 배 증가할 수 있다고 추정했다. 이런 조건을 호일 상태라 하는데, 나중에 호일 상태의 존재가 실제로 확인되면서 호일은 천제 물리학의 총아로 떠올랐다.
탄소 생성
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.</ref>
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. 초신성 폭발이다. 주기율표 원자의 절반 이상이 이 과정에서 만들어지고, 별의 분해와 함께 온 우주로 퍼져나간다. 현재 우주에 있는 탄소 대부분은 이렇게 만들어졌다.
탄소 역사
탄소는 유사 이전부터 숯의 형태로 사용되어 왔으며, “carbon”이라는 이름은 숯을 뜻하는 라틴어 carbo에서 왔다. 이 이름은 라부아지에가 명명하였다. 한자어 탄소(炭素)는 독일어 Kohlenstoff에서 유래하였다.
탄소 주요 화합물
CO2(이산화탄소), CO(일산화탄소), CH4(메테인), C6H12O6(포도당), C2H6(에테인), 탄화수소 등과 같은 상당수의 유기물이 탄소 화합물에 해당한다. 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 특성
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. 삼중점은 10.8 ± 0.2 MPa에 4,600 ± 300 K (~4,330 °C or 7,820 °F)으로 대기압에서 녹는점이 없고, 3,900 K의 승화점을 가진다. 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.
탄소 특성
탄소는 온도 5,800 K (5,530 °C; 9,980 °F)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. 1~4차 이온화 에너지는
1086.5, 2352.6, 4620.5, 6222.7 kJ/mol로 3~7족의 같은 14족 원소보다 크다. 탄소의 전기음성도는 2.5로, 같은 14족 원소(1.8~1.9)보다 훨씬 크지만 대부분의 인근 비금속과 2~3주기의 전이 금속과 가까운 수치다. 탄소의 공유 반지름은 배위수와 결합한 원자에 따라 다양하지만 평균적으로 77.2 pm (C–C), 66.7 pm (C=C), 60.3 pm (C≡C)이다. 일반적으로 공유 반지름은 배위수가 낮을수록, 결합 차수가 높을 수록 감소한다.
탄소 특성
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.
Fe3O4 + 4 C(s) → 3 Fe(s) + 4 CO(g)
다음은 탄소의 기체와의 반응으로, 황과 반응시 이황화탄소를, 수증기와 반응시 일산화탄소를 생성한다.
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g).
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.
탄소 특성
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 더 이상 탄소가 공급되지 않아 방사성 탄소의 양이 더 이상 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.
탄소 특성
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 특성
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 반데르발스 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.
탄소 특성
초고압에서 탄소는 다이아몬드 상을 가진다. 다이아몬드는 흑연보다 밀도가 두 배가량 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(ΔfG°(다이아몬드, 298 K) = 2.9 kJ/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.