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금속 합금
대부분의 순수 금속은 실제 사용에는 너무 무르거나, 취성이 있거나, 화학적으로 반응성이 있다. 합금에 다른 비율의 금속 및 기타 원소를 결합하면 더 연성이 있거나, 더 단단하거나, 부식에 저항하거나, 더 바람직한 색상과 광택을 가지는 것과 같은 바람직한 특성을 생성하도록 특성을 변경한다. 오늘날 사용되는 모든 금속 합금 중 철의 합금(강철, 스테인리스강, 무쇠, 공구강, 특수강)이 양과 상업적 가치 모두에서 가장 큰 비중을 차지한다. 다양한 비율의 탄소와 합금된 철은 저탄소, 중탄소, 고탄소 강철로 분류되며 탄소 수준이 증가할수록 연성과 인성이 감소한다. 규소를 첨가하면 주철이 생산되는 반면, 탄소강에 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘을 첨가하면(10% 이상) 부식 저항성이 향상된 스테인리스강이 된다.
다른 중요한 금속 합금은 알루미늄, 타이타늄, 구리, 마그네슘의 합금이다. 구리 합금은 선사 시대부터 알려져 있었으며—청동은 청동기 시대에 그 이름을 부여했다—오늘날 전기 배선에 가장 중요하게 많은 응용 분야를 가지고 있다. 다른 세 금속의 합금은 비교적 최근에 개발되었다. 이들의 화학적 반응성 때문에 전해 추출 공정이 필요하다. 알루미늄, 타이타늄, 마그네슘의 합금은 높은 강도 대 중량 비율로 평가받는다. 또한 마그네슘은 전자기 차폐 기능을 제공할 수 있다. 이러한 재료는 항공우주 및 일부 자동차 응용 분야와 같이 재료 비용보다 높은 강도 대 중량 비율이 더 중요한 상황에 이상적이다.
제트 엔진과 같이 매우 까다로운 응용 분야를 위해 특별히 설계된 합금은 10개 이상의 원소를 포함할 수 있다.
금속 범주
금속은 구성, 물리적, 화학적 특성에 따라 분류할 수 있다. 아래 하위 문단에 설명된 범주에는 철계 및 비철 금속, 취성 금속 및 난융 금속, 백색 금속, 중 금속 및 경 금속, 비금속, 귀금속, 귀금속뿐만 아니라 금속성 세라믹 및 고분자 등이 있다.
"철계"라는 용어는 "철을 포함하는"이라는 뜻의 라틴어에서 유래했다. 여기에는 연철과 같은 순수 철이나 강철과 같은 합금이 포함될 수 있다. 철계 금속은 종종 자기를 띠지만, 항상 그런 것은 아니다. 비철 금속 및 합금은 상당한 양의 철을 포함하지 않는다.
거의 모든 원소 금속은 전성 또는 연성을 가지고 있지만 베릴륨, 크로뮴, 망가니즈, 갈륨, 비스무트와 같은 소수의 금속은 취성이 있다. 비소와 안티모니는 금속으로 인정될 경우 취성이 있다. 부피 탄성률과 층밀림 탄성률의 비율(퓨의 기준)이 낮으면 본질적인 취성을 나타낸다. 재료는 전위가 움직이기 어려울 때 취성이 있는데, 이는 종종 큰 버거스 벡터와 제한된 수의 슬립면과 관련이 있다.
금속 범주
난융 금속은 열과 마모에 매우 강한 금속이다. 이 범주에 속하는 금속은 다양하지만, 가장 일반적인 정의는 나이오븀, 몰리브데넘, 탄탈럼, 텅스텐, 레늄 및 이들의 합금을 포함한다. 이들은 모두 2,000 °C 이상의 녹는점과 상온에서 높은 굳기를 가진다. 타이타늄 질화물과 같은 여러 화합물도 난융 금속으로 설명된다.
백색 금속은 주로 장식용으로 사용되는 비교적 낮은 녹는점을 가진 다양한 백색 합금이다. 영국에서는 순수 미술 거래에서 경매 카탈로그에서 "백색 금속"이라는 용어를 사용하여 영국 검인소 마크가 없는 외국 은 품목을 설명하지만, 그럼에도 불구하고 은으로 이해되고 그에 따라 가격이 책정된다.
중금속은 상대적으로 밀도가 높은 금속을 의미하며, 단일 원소 또는 다원소이다. 마그네슘, 알루미늄, 타이타늄 합금은 상업적으로 중요한 경금속이다. 이들의 밀도는 1.7, 2.7, 4.5 g/cm3로, 철(7.9) 및 구리(8.9)와 같은 다른 구조용 금속 밀도의 19%에서 56% 범위에 해당한다.
금속 범주
비금속이라는 용어는 쉽게 산화되거나 부식되는 금속을 의미하며, 예를 들어 묽은 염산(HCl)과 쉽게 반응하여 금속 염화물과 수소를 형성하는 경우를 말한다. 이 용어는 일반적으로 원소에 사용되며 철, 니켈, 납, 아연 등이 있다. 구리는 비교적 쉽게 산화되지만 HCl과 반응하지 않으므로 비금속으로 간주된다.
귀금속이라는 용어(원소에 대해서도)는 일반적으로 비금속과 반대되는 의미로 사용된다. 귀금속은 대부분의 비금속과 달리 반응성이 낮고 부식 또는 산화에 강하다. 이들은 희소성 때문에 종종 귀금속이 된다. 금, 백금, 은, 로듐, 이리듐, 팔라듐 등이 예시이다.
금속 범주
연금술과 화폐학에서 비금속이라는 용어는 귀금속(경제적 가치가 높은 금속)과 대조된다. 오늘날 대부분의 주화는 낮은 내재 가치를 가진 비금속으로 만들어지지만, 과거에는 주화가 주로 귀금속 함량에서 가치를 얻었다. 금, 은, 백금, 팔라듐은 각각 ISO 4217 통화 코드를 가지고 있다. 현재 이들은 촉매 변환기의 백금과 팔라듐과 같은 산업적 용도로 사용되며, 주얼리에도 사용되고, 투자 및 가치 저장 수단으로도 역할을 한다. 2024년 여름 기준으로 팔라듐과 백금은 금 가격의 절반보다 약간 낮은 가치를 가졌고, 은은 훨씬 저렴했다.
전기화학에서 밸브 금속은 절연성 산화물이 형성되어 전류가 한 방향으로만 흐르는 금속이다.
금속 범주
금속성 전기 전도성을 가지지만 금속 원소의 단순한 조합이 아닌 많은 세라믹 화합물이 있다. (이들은 비전도성 세라믹과 전도성 금속의 복합 재료인 서멧과는 다르다.) 전이 금속 질화물은 결합에 상당한 이온적 특성을 가지고 있어 세라믹과 금속 모두로 분류될 수 있다. 이들은 페르미 준위에서 부분적으로 채워진 상태를 가지므로 우수한 열 및 전기 전도체이며, 종종 전이 금속 원자에서 질소로 상당한 전하 이동이 일어난다. 그러나 대부분의 원소 금속과 달리 세라믹 금속은 종종 특별히 연성이 좋지 않다. 이들의 용도는 광범위한데 예를 들어 타이타늄 질화물은 정형외과 기기 및 내마모성 코팅으로 사용된다. 많은 경우 이들의 유용성은 박막 코팅으로 사용할 수 있도록 효과적인 증착 방법이 있는지에 달려 있다.
금속성 전기 전도성을 가지는 많은 고분자가 있으며, 이는 일반적으로 그림에 표시된 고분자에서와 같이 확장된 방향족 성분과 관련이 있다. 방향족 영역의 전도성은 흑연의 전도성과 유사하므로 고도로 지향적이다.
반쪽금속은 한 스핀 방향의 전기 전도체 역할을 하지만, 반대 스핀 방향의 전자에 대해서는 절연체 또는 반도체 역할을 하는 물질이다. 이들은 1983년에 망가니즈 기반 회슬러 합금의 전기적 특성을 설명하기 위해 처음 기술되었다. 모든 반쪽금속은 강자성을 띠지만(또는 준강자성), 대부분의 강자성체는 반쪽금속이 아니다. 알려진 반쪽금속의 많은 예시는 산화물, 황화물 또는 회슬러 합금이다.
반금속은 띠의 바닥과 원자가 띠의 꼭대기 사이에 작은 에너지 겹침이 있지만, 운동량 공간에서는 겹치지 않는 물질이다. 일반적인 금속과 달리 반금속은 양공과 전자 두 가지 유형의 전하 운반체를 가지지만 전하 운반체의 수는 실제 금속보다 훨씬 적다. 이러한 점에서 불순물 반도체와 유사하다. 이는 반금속의 전기적 특성이 금속과 반도체 사이의 중간쯤 되는 이유를 설명한다. 특히 바일 반금속 및 디랙 반금속과 같은 추가적인 유형이 있다.
고전적인 원소 반금속 원소는 비소, 안티모니, 비스무트, α-주석 (회색 주석) 및 흑연이다. 또한 수은 텔루라이드(HgTe) 및 일부 전도성 고분자와 같은 화합물도 있다.
금속 일생
철 (주기율표에서) 근처까지의 금속 원소는 주로 항성 핵합성을 통해 생성된다. 이 과정에서 수소에서 규소까지의 가벼운 원소는 별 내부에서 연속적인 핵융합 반응을 거쳐 빛과 열을 방출하고 더 높은 원자 번호를 가진 무거운 원소를 형성한다.
금속 일생
더 무거운 원소는 일반적으로 이러한 방식으로 형성되지 않는데, 그러한 핵을 포함하는 융합 반응은 에너지를 방출하기보다는 에너지를 역으로 소비하기 때문이다. 오히려 이들은 주로 중성자 포획을 통해 (더 낮은 원자 번호를 가진 원소로부터) 합성되는데 이 반복적인 포획의 두 가지 주요 방식은 S-과정과 R-과정이다. S-과정("s"는 "느린"을 의미)에서는 단일 포획이 수년 또는 수십 년으로 분리되어 덜 안정적인 핵이 베타 붕괴를 하도록 허용하는 반면, R-과정("빠른"을 의미)에서는 핵이 붕괴할 수 있는 속도보다 더 빠르게 포획이 발생한다. 따라서 S-과정은 거의 명확한 경로를 따른다. 예를 들어, 안정적인 카드뮴-110 핵은 별 내부에서 자유 중성자에 의해 연속적으로 충격되어 카드뮴-115 핵을 형성하며 이는 불안정하여 붕괴하여 인듐-115를 형성한다(인듐-115는 우주의 나이의 30000배에 달하는 반감기를 가진 거의 안정적인 핵이다). 이 핵은 중성자를 포획하여 인듐-116을 형성하며, 이는 불안정하여 붕괴하여 주석-116을 형성하는 식이다. 대조적으로, R-과정에는 그러한 경로가 없다. S-과정은 다음 두 원소인 폴로늄과 아스타틴의 짧은 반감기 때문에 비스무트에서 멈추는데, 이 핵종은 비스무트나 납으로 붕괴한다. R-과정은 너무 빨라서 이러한 불안정 영역을 건너뛰고 토륨과 우라늄과 같은 더 무거운 원소를 생성할 수 있다.
금속 일생
금속은 항성 진화 및 파괴 과정의 결과로 행성에 응축된다. 별은 수명이 다할 무렵 질량의 많은 부분을 방출하고, 때로는 그 이후 중성자별 병합의 결과로 방출하여 성간매질에서 헬륨보다 무거운 원소의 풍부도가 증가한다. 중력이 이 물질을 응집시키고 붕괴시킬 때 새로운 별과 행성들이 형성된다.
지구의 지각은 무게 기준으로 약 25%의 금속 원소로 구성되어 있으며, 이 중 80%는 나트륨, 마그네슘, 알루미늄과 같은 경금속이다. 구리와 같은 일부 무거운 금속은 전체적으로 희귀함에도 불구하고 조산 운동, 침식 또는 기타 지질학적 과정의 결과로 경제적으로 채굴 가능한 양으로 농축될 수 있다.
금속 일생
금속 원소는 주로 석성 원소 (암석 친화성) 또는 친황 원소 (광석 친화성)으로 발견된다. 석성 원소는 주로 S-구역 원소, 더 반응성이 높은 D-구역 원소, F-구역 원소이다. 이들은 산소에 대한 강한 친화력을 가지며 주로 비교적 낮은 밀도의 규산염 광물로 존재한다. 친황 원소는 주로 반응성이 낮은 D-구역 원소와 4-6주기 P-구역 금속이다. 이들은 일반적으로 (불용성) 황화물 광물에서 발견된다. 석성 원소보다 밀도가 높으므로 지각이 고화될 때 더 깊이 가라앉기 때문에 친황 원소는 석성 원소보다 덜 풍부한 경향이 있다.
금속 일생
한편, 금은 친철 원소(철 친화성 원소)이다. 금은 산소나 황과 쉽게 화합물을 형성하지 않는다. 지구 형성 당시 가장 고귀한(불활성) 금속 원소로서 금은 고밀도 금속 합금을 형성하는 경향 때문에 핵으로 가라앉았다. 결과적으로 금은 상대적으로 희귀하다. 다른 (덜) 불활성 원소인 몰리브데넘, 레늄, 백금족 원소 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금), 저마늄, 주석은 철 원소로 간주될 수 있지만, 이는 지구 전체(핵, 맨틀, 지각)에서의 초기 발생 측면에서만 그러하며 지각에서만은 아니다. 이들은 지각에서 소량으로 주로 친황 원소로 (천연 형태로서는 덜) 발견된다.
지구 내부의 회전하는 유체 외핵은 대부분 철로 구성되어 있으며, 지구의 보호 자기장의 근원인 것으로 생각된다. 핵은 지구의 고체 내핵 위에 있고 맨틀 아래에 있다. 만약 5m2의 면적을 가진 기둥으로 재배열할 수 있다면, 그 높이는 거의 700광년이 될 것이다. 자기장은 지구를 태양풍의 하전 입자와 대기 상층부(자외선 복사 전송을 제한하는 오존층 포함)를 벗겨낼 우주선으로부터 보호한다.
금속 일생
금속 원소는 종종 보크사이트와 같이 필요한 원소의 풍부한 공급원인 광석을 채굴하여 지구에서 추출된다. 광석은 탐광 기술로 찾아내고, 이어서 광상 탐사 및 조사를 한다. 광물원은 일반적으로 중장비를 사용하여 굴착하는 노천광과 지하광으로 나뉜다. 어떤 경우에는 관련된 금속의 판매 가격으로 인해 저농도 광원에서 채굴하는 것이 경제적으로 가능해진다.
광석이 채굴되면 원소는 일반적으로 화학적 또는 전기분해 환원을 통해 추출되어야 한다. 화성 야금은 고온을 사용하여 광석을 원료 금속으로 변환하고, 습식 야금은 동일한 목적을 위해 수용액 화학을 사용한다.
금속 광석이 이온 화합물일 때, 광석은 일반적으로 제련되어야 한다. 즉, 순수 금속을 추출하기 위해 환원제와 함께 가열되어야 한다. 철과 같은 많은 일반적인 금속은 탄소를 환원제로 사용하여 제련된다. 알루미늄과 나트륨과 같은 일부 금속은 상업적으로 실용적인 환원제가 없으므로 대신 전기 분해를 사용하여 추출된다.
황화물 광석은 금속으로 직접 환원되지 않고 공기 중에서 구워져 산화물로 변환된다.
금속에 대한 수요는 기반 시설, 건설, 제조 및 소비재에서의 사용을 고려할 때 경제 성장과 밀접하게 관련되어 있다. 20세기 동안 사회에서 사용되는 금속의 종류는 빠르게 증가했다. 오늘날 중국과 인도와 같은 주요 국가의 발전과 기술 발전은 더욱 더 많은 수요를 부채질하고 있다. 그 결과 채굴 활동이 확대되고 있으며, 세계의 금속 재고는 미사용 매장량으로 지하에 있는 것보다 지상에서 사용되는 경우가 점점 더 많아지고 있다. 구리의 사용 중 재고가 그 예이다. 1932년에서 1999년 사이에 미국에서 사용 중인 구리는 1인당 73g에서 238g으로 증가했다.
금속은 본질적으로 재활용이 가능하므로 원칙적으로 반복해서 사용할 수 있어 이러한 부정적인 환경 영향을 최소화하고 에너지를 절약할 수 있다. 예를 들어 보크사이트 광석에서 알루미늄을 만드는 데 사용되는 에너지의 95%가 재활용 재료를 사용함으로써 절약된다.
전 세계적으로 금속 재활용은 일반적으로 낮다. 2010년, 유엔 환경 계획이 주최하는 국제 자원 패널은 사회에 존재하는 금속 재고 및 그 재활용률에 대한 보고서를 발표했다. 보고서 저자들은 사회의 금속 재고가 지상의 거대한 광산 역할을 할 수 있다고 지적했다. 이들은 휴대폰, 하이브리드 자동차용 배터리 팩 및 연료 전지와 같은 응용 분야에 사용되는 일부 희귀 금속의 재활용률이 너무 낮아서 미래의 수명 말기 재활용률을 극적으로 높이지 않으면 이러한 중요한 금속이 현대 기술에 사용될 수 없게 될 것이라고 경고했다.
금속 역사
천연 형태로 발견되는 구리는 독특한 외관, 무거움, 그전성 때문에 최초로 발견된 금속으로 추정된다. 금, 은, 철(운석철), 납 또한 선사 시대에 발견되었다. 구리와 아연의 합금인 황동은 이 금속의 광석을 동시에 제련하여 만들어졌으며, 이 시기(순수한 아연은 13세기에 분리되었지만)에 기원한다. 단단한 금속의 전성 때문에 금속 장신구, 도구, 무기를 만드는 첫 시도가 이루어졌다. 니켈을 함유한 운석철은 때때로 발견되었으며, 어떤 면에서는 1880년대에 특수강이 두드러지기 전까지 제조된 어떤 산업용 강철보다 우수했다.
금속 역사
청동 (비소 또는 주석과의 구리 합금)의 발견은 사람들이 이전보다 더 단단하고 내구성 있는 금속 물체를 만들 수 있게 만들었다. 청동 도구, 무기, 갑옷 및 장식 타일과 같은 건축재료는 석기와 구리 ("동기 시대") 물건보다 더 단단하고 내구성이 있었다. 초기에 청동은 자연적으로 또는 인공적으로 혼합된 구리 및 비소 광석을 제련하여 구리와 비소로 만들어졌다(비소 청동을 형성). 지금까지 알려진 가장 초기의 유물은 기원전 5천년의 이란고원에서 발견된다. 주석이 사용된 것은 나중 일로, 기원전 3천년 후반에 청동의 주요 비구리 성분이 되었다. 순수 주석은 기원전 1800년에 중국과 일본의 금속 세공인이 처음 분리했다.
수은은 기원전 2000년 이전에 고대 중국인과 인도인에게 알려져 있었고, 기원전 1500년으로 거슬러 올라가는 이집트 무덤에서 발견되었다.
철-탄소 합금인 강철의 가장 초기의 알려진 생산은 거의 4,000년 전인 기원전 1800년으로 거슬러 올라가는 아나톨리아 (카만-칼레회윅)의 유적에서 발굴된 철기 조각에서 볼 수 있다.
금속 역사
기원전 500년경부터 톨레도의 칼 제조공들은 철광석(및 탄소)에 텅스텐과 망가니즈를 함유한 철망간 중석이라는 광물을 첨가하여 초기 형태의 특수강을 만들었다. 그 결과로 생산된 톨레도 강철은 포에니 전쟁에서 한니발이 사용하면서 로마의 주목을 받았다. 이는 곧 로마 군단의 무기 기반이 되었다. 그러한 칼은 "존재하는 어떤 칼보다 구성이 강했으며, 부러지지 않았기 때문에 로마 병사에게 심리적 우위를 제공했다."
콜럼버스 이전 아메리카에서는 기원후 300년에서 500년 사이에 파나마와 코스타리카에서 구리와 금의 합금인 툼바가로 만든 물체가 생산되기 시작했다. 작은 금속 조각상이 흔했으며, 광범위한 툼바가(및 금) 장식품은 고위층 인물들의 일반적인 의복을 구성했다.
거의 같은 시기에 에콰도르 원주민은 금과 소량의 팔라듐, 로듐, 이리듐을 함유한 자연 발생 백금 합금을 결합하여 백금-금 합금의 미니어처와 가면을 생산했다. 관련된 금속 세공인은 금이 녹을 때까지 백금 합금의 결정립과 함께 금을 가열했다. 냉각 후 결과적으로 생성된 덩어리는 균질해질 때까지 반복적으로 망치로 두드리고 재가열되었다(관련 백금족 금속의 녹는점에 도달하는 것은 그 시대의 기술로는 불가능했다).
금속 역사
기원전 340년경 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스는 그의 저서 《기상학》 3권에서 지구 내에서 발견되는 물질을 금속과 광물로 분류했다. 후자 범주에는 계관석, 황토색, 붉은 황토, 황, 진사 (광물) 등 "녹지 않는 돌"이라고 부른 다양한 광물이 포함되었다.
금은 귀부인을 위한 것—은은 하녀를 위한 것—구리는 그의 기술에 능한 장인을 위한 것."좋아!"라고 그의 홀에 앉아 있던 남작이 말했다,"그러나 철—차가운 철—은 그들 모두의 주인이다."
아랍 및 중세 연금술사는 모든 금속과 물질이 모든 금속의 아버지이자 가연성 특성을 지닌 황의 원리, 모든 금속의 어머니이자 유동성, 융해성, 휘발성 특성을 지닌 수은의 원리로 구성되어 있다고 믿었다. 이러한 원리는 반드시 대부분의 실험실에서 발견되는 일반적인 물질인 황과 수은을 의미하는 것은 아니었다. 이 이론은 모든 금속이 열, 소화, 시간, 오염 물질 제거의 적절한 조합을 통해 지구 내부에서 금이 될 운명이며, 이 모든 것은 연금술의 지식과 방법으로 발전시키고 가속화할 수 있다는 믿음을 강화했다.
금속 역사
비소, 아연, 안티모니, 비스무트가 알려지게 되었지만, 처음에는 전성이 없기 때문에 반금속 또는 가짜 금속으로 불렸다. 알베르투스 마그누스는 1250년에 비누와 삼황화비소를 가열하여 화합물에서 비소를 분리한 최초의 인물로 여겨진다. 불순할 경우 취성인 금속성 아연은 기원후 1300년에 인도에서 분리되었다. 안티모니를 분리하는 절차에 대한 첫 번째 설명은 반노초 비링구초의 1540년 저서 《데 라 피로테크니아》에 나와 있다. 비스무트는 아그리콜라가 《데 나투라 파실리움》 (기원후 1546년경)에서 설명했는데, 초기에는 이 원소들과의 유사성 때문에 주석과 납과 혼동되었다.
광업 및 금속공학 기술에 대한 최초의 체계적인 문헌은 반노초 비링구초의 데 라 피로테크니아 (1540)로, 금속의 검사, 융해 및 가공을 다룬다.
16년 후, 게오르기우스 아그리콜라는 1556년에 데 레 메탈리카를 출판했는데, 이는 광업, 금속공학 및 부속 예술과 과학에 대한 설명으로, 16세기 화학 산업에 대한 광범위한 논문이다.
그는 자신의 저서 《데 나투라 파실리움》 (1546)에서 금속에 대해 다음과 같이 묘사했다.
금속 역사
금속은 본질적으로 액체이거나 다소 단단한 광물질이다. 후자는 불의 열로 녹을 수 있지만, 다시 식어서 모든 열을 잃으면 다시 단단해지고 원래의 형태를 되찾는다. 이 점에서 불에 녹는 돌과는 다르다. 돌은 다시 단단해지더라도 원래의 형태와 특성을 잃기 때문이다.
전통적으로 금속에는 금, 은, 구리, 철, 주석, 납의 여섯 가지 종류가 있다. 실제로 다른 것들도 있는데, 수은은 금속이지만 연금술사들은 이 문제에 대해 우리와 의견을 달리하며, 비스무트도 그렇다. 고대 그리스 작가들은 비스무트를 몰랐던 것 같으며, 따라서 암모니우스는 우리에게 알려지지 않은 많은 종류의 금속, 동물, 식물이 있다고 정당하게 말한다. 안티모니는 도가니에서 제련되고 정제되면 작가들이 납에게 부여하는 것만큼 정식 금속으로 간주될 권리가 있다. 제련할 때 주석에 특정 비율을 첨가하면 인쇄업자들이 종이 책을 인쇄하는 데 사용하는 활자 합금이 생성된다.
금속 역사
각 금속은 자신과 혼합된 금속들과 분리될 때 보존하는 고유한 형태를 가진다. 따라서 호박금이나 스타눔(우리의 주석을 의미하지는 않음) 자체는 실제 금속이 아니라 두 금속의 합금이다. 호박금은 금과 은의 합금이며, 스타눔은 납과 은의 합금이다. 그러나 은이 호박금에서 분리되면 금이 남고 호박금은 남지 않는다. 은이 스타눔에서 제거되면 납이 남고 스타눔은 남지 않는다.
그러나 황동이 천연 금속으로 발견되는지 여부는 확실하게 알 수 없다. 우리는 칼라민 광물의 색으로 염색된 구리로 구성된 인조 황동만 알고 있다. 그러나 만약 파낼 수 있다면 그것은 정식 금속일 것이다. 검은 구리와 흰 구리는 붉은 구리와 다른 것 같다.
따라서 금속은 내가 말했듯이 본질적으로 고체이거나, 수은의 유일한 경우처럼 액체이다.
이제 단순한 종류에 대해서는 충분하다.
금과 은에 이어 세 번째 귀금속인 백금은 1736년부터 1744년 사이에 스페인 천문학자 안토니오 데 울로아와 그의 동료 수학자 호르헤 후안 이 산타실리아가 에콰도르에서 발견했다. 울로아는 1748년에 이 금속에 대한 과학적 설명을 처음으로 작성한 사람이었다.
금속 역사
1789년에 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트는 우라늄의 산화물을 분리했는데, 그는 그것을 금속 자체라고 생각했다. 클라프로트는 나중에 우라늄의 발견자로 인정받았다. 프랑스 화학자 외젠-멜시오 펠리고가 우라늄 금속의 첫 번째 샘플을 준비한 것은 1841년이 되어서였다. 앙리 베크렐은 나중에 1896년에 우라늄을 사용하여 방사능을 발견했다.
1790년대에 조지프 프리스틀리와 네덜란드 화학자 마르티누스 반 마룸은 금속 표면이 알코올의 탈수소화에 미치는 영향을 관찰했는데, 이 발전은 나중에 1831년에 백금 촉매를 사용한 황산의 산업 규모 합성에 기여했다.
1803년, 세륨은 스웨덴 바스트나스에서 옌스 야코브 베르셀리우스와 빌헬름 히싱어, 그리고 독일에서 마르틴 하인리히 클라프로트가 독립적으로 발견한 최초의 란타넘족 금속이다. 란타넘족 금속은 1960년대까지는 이상한 물질로 여겨졌는데, 이들을 서로 더 효율적으로 분리하는 방법이 개발되기 전까지는 그랬다. 이후 이들은 휴대폰, 자석, 레이저, 조명, 배터리, 촉매 변환기 및 현대 기술을 가능하게 하는 다른 응용 분야에서 사용되고 있다.
금속 역사
이 기간 동안 발견되고 제련된 다른 금속은 코발트, 니켈, 망가니즈, 몰리브데넘, 텅스텐, 크로뮴이고, 백금족 원소 중 일부인 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 로듐이다.
1809년 이전에 발견된 모든 원소 금속은 상대적으로 밀도가 높았으며, 그 무거움이 특징적인 기준으로 여겨졌다. 1809년부터는 나트륨, 칼륨, 스트론튬과 같은 경금속이 분리되었다. 이들의 낮은 밀도는 금속의 본질에 대한 기존의 통념에 도전했다. 그러나 이들은 화학적으로 금속처럼 행동했으며, 나중에는 금속이 맞다고 인식되었다.
알루미늄은 1824년에 발견되었지만, 산업 규모의 대량 생산 방법이 개발된 것은 1886년이 되어서였다. 알루미늄 가격이 하락하고 1890년대와 20세기 초반에 알루미늄은 보석, 일상용품, 안경테, 광학 기기, 식기류, 포일에 널리 사용되었다. 알루미늄이 다른 금속과 결합하여 단단하면서도 가벼운 합금을 형성하는 능력은 당시 이 금속에 많은 용도를 제공했다. 제1차 세계 대전 중 주요 정부는 가볍고 튼튼한 항공기 동체를 위해 대량의 알루미늄을 요구했다.
금속 역사
순수한 금속성 타이타늄(99.9%)은 1910년에 처음 제조되었지만, 1932년까지는 실험실 밖에서 사용되지 않았다. 1950년대와 1960년대에 소련은 냉전 관련 프로그램의 일환으로 군사 및 잠수함 응용 분야에서 타이타늄 사용을 개척했다. 1950년대 초반부터 타이타늄은 군용 항공, 특히 F-100 슈퍼 세이버, 록히드 A-12 및 SR-71과 같은 항공기를 시작으로 고성능 제트기에서 사용되기 시작했다.
금속성 스칸듐은 1937년에 처음 생산되었다. 1960년에는 99% 순수 스칸듐 금속 1파운드가 생산되었다. 1971년 미국 특허 출원 후 알루미늄-스칸듐 합금 생산이 시작되었다. 알루미늄-스칸듐 합금은 소련에서도 개발되었다.
제강의 현대 시대는 헨리 베서머의 베서머 법이 1855년에 도입되면서 시작되었는데, 이 공정의 원료는 선철이었다. 그의 방법으로 저렴하게 강철을 대량으로 생산할 수 있게 되었고 따라서 연강은 이전에는 연철이 사용되던 대부분의 목적에 사용되게 되었다. 길크리스트-토머스 공정(또는 기본 베서머 공정)은 인을 제거하기 위해 변환기에 염기성 재료를 깔아서 베서머 공정을 개선한 것이다.
금속 역사
높은 인장 강도와 낮은 비용 덕분에 강철은 건축물, 기반 시설, 도구, 선박, 자동차, 기계, 가전제품, 무기에 사용되는 주요 구성 요소가 되었다.
1872년, 영국인 클라크와 우즈는 오늘날 스테인리스강으로 간주될 합금을 특허 냈다. 철-크로뮴 합금의 부식 저항성은 1821년에 프랑스 금속공학자 피에르 베르티에가 처음 인식했다. 그는 일부 산에 대한 저항성을 언급하며 식기에 사용할 것을 제안했다. 19세기의 금속공학자는 대부분의 현대 스테인리스강에서 발견되는 낮은 탄소와 높은 크로뮴의 조합을 생산할 수 없었고, 그들이 생산할 수 있는 높은 크로뮴 합금은 너무 취성이 있어서 실용적이지 못했다. 스테인리스강 합금의 산업화가 영국, 독일, 미국에서 이루어진 것은 1912년이 되어서였다.
1900년까지 가장 무거운 안정 금속인 납(#82)보다 원자 번호가 낮은 세 가지 금속, 즉 원소 71, 72, 75번이 발견되지 않은 상태였다.
금속 역사
카를 아우어 폰 벨스바흐는 1906년에 옛 이터븀이 새로운 원소(#71)를 포함하고 있음을 증명했고 이를 카시오페륨이라고 명명했다. 조르주 위르뱅은 동시에 이를 증명했지만, 그의 샘플은 매우 불순했으며 새로운 원소를 미량만 포함하고 있었다. 그럼에도 불구하고, 그가 선택한 이름인 루테튬이 채택되었다.
1908년 오가와는 토리아나이트에서 원소 75번을 발견했지만, 75번 대신 43번 원소로 지정하고 니포늄이라고 명명했다. 1925년 발터 노닥, 이다 에바 타케, 오토 베르크는 가돌리나이트에서 이를 분리했다고 발표하고 현재의 이름인 레늄을 부여했다.
조르주 위르뱅은 희토류 잔류물에서 원소 72번을 발견했다고 주장했으며, 블라디미르 베르나츠키는 독립적으로 오르타이트에서 이를 발견했다. 제1차 세계 대전으로 인해 두 주장 모두 검증되지 않았으며 보고한 화학적 성질이 현재 알려진 하프늄의 성질과 일치하지 않으므로 나중에 확인될 수도 없었다. 전쟁 후 1922년에 코스터와 헤베시는 노르웨이 지르콘에서 X선 분광 분석을 통해 이를 발견했다. 그리하여 하프늄은 마지막으로 발견된 안정 원소였지만, 레늄이 마지막으로 올바르게 검증된 원소이다.
금속 역사
제2차 세계 대전이 끝날 무렵 과학자는 납 이후의 4가지 원소(모두 방사성(불안정한) 금속)를 합성했다. 넵투늄(1940년), 플루토늄(1940-41년), 퀴륨, 아메리슘(1944년)으로, 원소 93번부터 96번까지를 나타낸다. 이들 중 처음 두 개는 나중에는 자연에서도 발견되었다. 퀴륨과 아메리슘은 1945년에 세계 최초의 원자 폭탄을 생산한 맨해튼 프로젝트의 부산물이었다. 이 폭탄은 약 150년 전에 발견되었다고 처음 생각되었던 금속인 우라늄의 핵분열에 기반을 두고 있었다.
철, 니켈, 코발트, 크로뮴의 조합과 소량의 텅스텐, 몰리브데넘, 탄탈럼, 나이오븀, 타이타늄, 알루미늄으로 구성된 초합금은 제2차 세계 대전 직후 고온(650°C (1,200°F) 이상)에서 작동하는 고성능 엔진에 사용하기 위해 개발되었다. 이들은 이러한 조건에서 장기간 동안 강도의 대부분을 유지하며, 우수한 저온 연성과 부식 또는 산화 저항성을 결합한다. 초합금은 이제 육상, 해상, 항공우주 터빈, 화학 및 석유 공장을 포함한 광범위한 응용 분야에서 찾아볼 수 있다.
금속 역사
제2차 세계 대전 말 원자폭탄의 성공적인 개발은 새로운 원소 합성에 대한 추가적인 노력을 촉발시켰는데, 이들 중 거의 모두가 금속이거나 금속일 것으로 예상되며, 모두 방사성이다. 1949년이 되어서야 96번 원소(퀴륨) 다음의 97번 원소(버클륨)가 아메리슘 표적에 알파 입자를 발사하여 합성되었다. 1952년, 100번 원소(페르뮴)는 최초의 수소폭탄 폭발 잔해에서 발견되었는데, 비금속인 수소는 약 200년 전에 원소로 확인되었다. 1952년 이후 101번 원소(멘델레븀)부터 118번 원소(오가네손)까지 합성되었다.
금속 역사
금속 유리(비정질 또는 유리질 금속으로도 알려져 있음)는 무질서한 원자 규모 구조를 가진 고체 금속 재료이며, 일반적으로 합금이다. 대부분의 순수 금속 및 합금 금속은 고체 상태에서 원자가 고도로 정렬된 결정 구조로 배열되어 있다. 대조적으로 이들은 비결정질 유리 같은 구조를 가진다. 그러나 일반적인 창문 유리와 같이 일반적으로 전기 절연체인 일반 유리와 달리 비정질 금속은 우수한 전기 전도도를 가진다. 비정질 금속은 초고속 냉각, 물리 증착, 고체 반응, 이온 조사 및 기계적 합금화를 포함한 여러 방법으로 생산된다. 최초로 보고된 금속 유리는 1960년에 캘리포니아 공과대학교에서 생산된 합금(Au75Si25)이었다. 최근에는 기존 강철 합금보다 강도가 세 배 더 강한 비정질 강철이 생산되었다. 현재 가장 중요한 응용 분야는 일부 강자성 금속 유리의 특수한 자기 특성에 의존한다. 낮은 자화 손실은 고효율 변압기에 사용된다. 도난 방지 ID 태그 및 기타 물품 감시 시스템은 이러한 자기 특성 때문에 금속 유리를 자주 사용한다.
금속 역사
형상기억합금(SMA)은 변형되면 가열 시 원래의 변형 전 모양으로 돌아가는 합금이다. 형상 기억 효과는 1932년 Au-Cd 합금에서 처음 관찰되었지만, 1962년에 Ni-Ti 합금에서 우연히 이 효과가 발견되면서 본격적인 연구가 시작되었고, 상업적 응용 분야가 등장하는 데 10년이 더 걸렸다. SMA는 로봇 공학 및 자동차, 항공우주, 생체 의학 산업에 응용된다. 강한 자기장 하에서 모양이 변하는 또 다른 유형의 SMA인 강자성 형상기억합금(FSMA)이 있다. 이 재료는 자기 반응이 온도 유발 반응보다 빠르고 효율적인 경향이 있어 주목받는다.
금속 역사
1984년 이스라엘 금속공학자 단 셰흐트만은 알루미늄-망가니즈 합금에서 5회 대칭을 발견했는데, 이는 결정 구조가 2회, 3회, 4회 또는 6회 대칭만 가질 수 있다는 당시의 결정학적 관행을 위반하는 것이었다. 과학계의 반응에 대한 우려 때문에 셰흐트만은 이 결과를 발표하는 데 2년이 걸렸으며, 이로 인해 그는 2011년 노벨 화학상을 수상했다. 이후 수백 개의 준결정이 보고되고 확인되었다. 이들은 많은 금속 합금(및 일부 고분자)에서 발견된다. 준결정은 주로 알루미늄 합금(Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V 등)에서 발견되지만, Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si 등 다른 많은 조성도 알려져 있다. 이코사헤드라이트 Al63Cu24Fe13는 자연에서 발견된 최초의 준결정으로, 2009년에 발견되었다. 대부분의 준결정은 낮은 전기 전도도(절연체 수준), 낮은 열전도도, 높은 경도, 취성, 내식성 및 비접착성 특성을 포함한 세라믹과 유사한 특성을 가진다. 준결정은 단열재, LED, 디젤 엔진 및 열을 전기로 변환하는 새로운 재료 개발에 사용되었다. 새로운 응용 분야는 일부 준결정 재료의 낮은 마찰 계수와 경도를 활용할 수 있다. 예를 들어 플라스틱에 입자를 삽입하여 강력하고 내마모성이 높은 저마찰 플라스틱 기어를 만들 수 있다. 다른 잠재적 응용 분야로는 전력 변환을 위한 선택적 태양 흡수체, 광대역 파장 반사체, 생체 적합성, 낮은 마찰 및 내식성이 요구되는 골 재생 및 보철 응용 분야 등이 있다.
복합 금속 합금(CMA)은 수십 개에서 수천 개의 원자로 구성된 큰 단위 셀, 잘 정의된 원자 클러스터(종종 이십면체 대칭을 가짐), 결정 격자 내의 부분적 무질서를 특징으로 하는 금속간화합물이다. 이들은 두 개 이상의 금속 원소로 구성되며 때로는 준금속 또는 칼코겐화물이 추가된다. 예를 들어 단위 셀에 348개의 나트륨 원자와 768개의 카드뮴 원자가 있는 NaCd2가 있다. 라이너스 폴링은 1923년에 NaCd2의 구조를 설명하려고 시도했지만, 1955년이 되어서야 성공했다. CMA의 잠재적 응용 분야는 열 절연체, 태양열 난방, 자기 냉장고, 폐열을 이용한 전기 생산, 군용 엔진의 터빈 블레이드 코팅 등이 언급된다.
AlLiMgScTi와 같은 고엔트로피 합금(HEA)은 5개 이상의 금속이 같거나 거의 같은 양으로 구성되어 있다. "고엔트로피 합금"이라는 용어는 타이완 과학자 젠웨이 예가 만들었는데, 이는 혼합물에 더 많은 원소가 존재하고 그 비율이 거의 동일할 때 혼합 엔트로피 증가가 상당히 높기 때문이다. 다성분 합금, 조성 복합 합금, 다주원소 합금과 같은 다른 이름도 문헌에서 사용된다. 이러한 합금은 잠재적으로 바람직한 특성을 가지기 때문에 현재 재료과학 및 공학 분야에서 상당한 주목을 받고 있다. 더욱이, 연구에 따르면 일부 HEA는 기존 합금보다 상당히 더 나은 강도-중량 비율, 더 높은 파괴 저항성, 인장 강도, 부식 및 산화 저항성을 가진다. HEA는 1980년대부터 연구되어 왔지만, 2010년대부터 연구가 상당히 가속화되었다.
MAX 상에서 M은 초기 전이 금속이고, A는 A족 원소(대부분 13족 및 14족 원소)이며, X는 탄소 또는 질소이다. 예로는 Hf2SnC 및 Ti4AlN3가 있다. 이러한 합금은 높은 전기 및 열전도율, 열충격 저항성, 손상 내성, 가공성, 높은 탄성 강성 및 낮은 열팽창 계수를 가진다. 우수한 전기 전도성 때문에 금속 광택으로 연마할 수 있다. 일부 MAX 상은 화학적 공격(예: Ti3SiC2) 및 공기 중 고온 산화(Ti2AlC, Cr2AlC2 및 Ti3AlC2)에 매우 강하다. MAX 상 합금의 잠재적 응용 분야는 강하고 가공 가능한 열충격 저항성 내화물, 고온 발열체, 전기 접점 코팅, 및 핵 응용 분야를 위한 중성자 조사 저항성 부품이 언급된다.
뉴턴 운동 법칙
고전역학에서 뉴턴 운동 법칙(Newton運動法則, Newton's laws of motion)은 물체의 운동을 다루는 세 개의 물리 법칙이다. 아이작 뉴턴이 도입한 이 법칙들은 고전 역학의 바탕을 이룬다.
뉴턴 운동 법칙 역사적 배경
중세를 거치면서 임페투스라는 관성과 유사한 개념이 도입되었다. 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 17세기 초에 관성의 개념을 완성하고, 실험을 통해 오늘날 뉴턴 제1운동 법칙으로 불리는 관성의 법칙을 증명하였다.
오늘날의 세 개의 뉴턴 운동 법칙은 아이작 뉴턴(Sir Isaac Newton)이 1687년에 《자연철학의 수학적 원리》 제1권에 처음 서술하였다. 뉴턴은 이 책에서 만유인력의 법칙과 뉴턴 운동 법칙을 사용하여 케플러 법칙을 비롯한 당시 알려진 모든 천체역학을 수학적으로 유도하였다. 뿐만 아니라, 뉴턴의 운동법칙은 처음으로 회전체의 운동, 유체 안에서의 운동, 발사체의 운동, 빗면에서의 운동, 진자의 운동, 조석, 달과 천체의 궤도와 같은 물리학적 현상들에 대한 광범위한 설명을 가능하게 하였다. 또한, 뉴턴이 제2법칙과 제3법칙을 써서 유도한 운동량 보존법칙은 물리학사상 최초의 보존법칙으로 여겨진다.
뉴턴 운동 법칙 역사적 배경
뉴턴의 법칙들은 200년이 넘게 실험과 (10−6~104m의 길이에서 0~108m/s의 속도를 갖는 척도)에서 일어나는 운동학을, 관측 결과보다 더욱 정확하게 설명해 주고 있다. 즉, 대략 모든 속도들이 빛의 속도의 1/3 이하라면 뉴턴의 법칙은 대부분의 경우 그 오차를 무시할 수 있는 정도로 정확하다.
뉴턴 운동 법칙 제1법칙: 관성의 법칙
제1법칙은 관성의 법칙이나 갈릴레이의 법칙으로도 불린다.
물체의 질량 중심은 외부 힘이 작용하지 않는 한 일정한 속도로 움직인다.
즉, 물체에 가해진 알짜힘이 0일 때 물체의 질량 중심의 가속도는 0이다.
제1법칙은 단순히 제2법칙에서 알짜힘이 0인 경우를 설명하는 것이 아니다. 근본적으로 제2법칙과 제3법칙이 암묵적으로 가정하는 기준틀의 개념을 정의한다. 이러한 기준틀은 관성기준틀이라고 부르며, 가속도가 0인 상태로 등속 직선 운동을 하는 관찰자의 기준틀이다. 등속 원운동은 등속력 운동이지만 속도의 방향이 바뀌므로 지구와 같은, 등속 원운동을 하는 관찰자의 기준틀은 엄밀히 말해 관성기준틀이 아니다. 그러나 지구의 운동으로 인한 오차는 (지구의 궤도 및 크기가 매우 크므로) 일반적인 실험에서는 무시할 수 있을 정도로 작다.
뉴턴 운동 법칙 제1법칙: 관성의 법칙
갈릴레오 갈릴레이는 빗면을 따라 공을 굴리는 실험을 통해 만약 마찰력이 무시할 수 있을 정도로 작다면 외부 힘이 가해지지 않는 모든 물체는 일정한 속도로 움직인다는 사실을 증명하였다. 즉, 가만히 있는 물체는 (외부 힘이 가해지지 않는 이상) 계속 가만히 있고, 일정한 속도로 움직이는 물체는 계속 그 속도로 움직이게 된다. 아리스토텔레스의 이론으로부터 갈릴레이의 이론(뉴턴의 제1법칙)으로 생각이 전환된 것은 물리학의 역사에 있어서 가장 심오하고 중요한 발견이라 할 수 있다. 우리의 일상에서, 마찰력은 모든 움직이는 물체에 작용하여 물체를 느리게 하고 결국엔 정지하게 만든다. 아이작 뉴턴은 모든 물체의 운동을 이끌어내는 원인을 힘으로 보고, 이에 기반을 둔 수학적 모형을 제시하였다.
뉴턴 운동 법칙 제2법칙: 가속도의 법칙
물체의 운동량의 시간에 따른 변화율은 그 물체에 작용하는 힘과 (크기와 방향에 있어서) 같다.
다시 말해, 물체에 더 큰 알짜힘이 가해질수록 물체의 운동량의 변화는 더 커진다. 한 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면 이에 따라 B의 운동량을 바꿀 수 있다. (제3법칙에 의하여, 이런 경우는 A의 운동량이 감소하는 만큼 B의 운동량이 증가하므로, 두 물체가 힘을 통해 운동량을 서로 교환한다고 생각할 수 있다.)
제2법칙을 수식으로 쓰면 다음과 같다.
.
만약 물체의 질량 이 변하지 않는다면 다음과 같이 쓸 수 있다.
[N] [kgㆍm/sec^2]
여기서
위의 방정식에서 물체의 질량은 물체 고유의 성질이다. 일정한 질량 m을 가진 물체에 대해서만, 그 물체에 더 큰 알짜힘을 가할수록 운동량의 변화가 커진다. 그러므로 이 방정식을 통해 간접적으로 질량의 개념을 정의할 수 있다.
뉴턴 운동 법칙 제2법칙: 가속도의 법칙
또한 F = ma에서, a는 직접 측정이 가능하지만 F는 측정할 수 있는 물리량이 아니다. 제2법칙은 단지 우리가 F의 값을 계산할 수 있다는 것만을 의미할 뿐이다. 이러한 힘의 계산법은 뉴턴의 만유인력의 법칙 또한 포함하고 있다.
하지만 물체의 질량이 변할 수 있다면 을 적용할 수 없고, 좀 더 일반적인 다음과 같은 식을 쓴다.
운동량을 와 같이 표현하는 경우 (는 로런츠 인자), 이 방정식은 특수 상대성 이론에서도 유효하다.
뉴턴 운동 법칙 제3법칙: 작용과 반작용의 법칙
물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 물체 A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 가한다.
전통적으로, 제3법칙은 "모든 작용에 대해 크기는 같고 방향은 반대인 반작용이 존재한다"라고 쓴다.
이 설명들은, 누군가가 물체를 200 N의 힘으로 때리면 그 물체 또한 같은 힘으로 그 사람을 때린다는 결과를 내포하고 있다. 예를 들어, 행성만 항성에 이끌리는 것이 아니라 항성 또한 행성에 이끌리고 있다. 반작용력은 작용의 반대 방향을 가지고, 그 크기는 동일하다. 하지만 작용력과 반작용력이 항상 일직선상에 위치할 필요는 없다. 두 쌍극자가 점전하와 쌍극자를 잇는 선에 수직하게 위치한 경우, 점전하가 전기 쌍극자에 가하는 힘을 예로 들 수 있다. 그 힘이 점전하와 쌍극자를 잇는 선에 수직인 경우 점전하에 대한 반작용력은 반대 방향을 취하겠지만, 작용력과 반작용력이 서로 평행한 경우에는 공간 내에서 서로 겹쳐지지 않게 된다.
뉴턴 운동 법칙 제3법칙: 작용과 반작용의 법칙
힘은 운동량의 시간 변화율이므로, 제3법칙에 따르면 A의 운동량이 줄어드는 만큼 B의 운동량이 늘어나게 된다. 즉, 계의 총 운동량의 보존을 의미한다. 반대로, 운동량 보존 법칙으로부터 제3법칙을 유도할 수 있다.
때때로 전자기력에서는 제3법칙이 성립하지 않는 것처럼 보이는 경우가 있다. 즉, 물체 A가 B에 가하는 로런츠 힘은 B가 A에 가하는 힘과 일반적으로 다르다. 이는 A와 B가 생성하는 전자기장이 가진 운동량 교환을 고려하지 않았기 때문이다. 전자기장이 가진 운동량을 계산에 포함시키면 계의 총 운동량은 보존되며, 이에 따라 제3법칙이 성립하게 된다.
위에 인용한 제3법칙은 엄밀히 말해 제3법칙의 '약한 형태(weak form)다. 이에 따르면, 작용력과 반작용력은 크기가 같고 방향은 서로 반대지만, 그 방향이 어느 방향인지는 서술하지 않는다. 즉, 입자로 이루어진 계에서, 가 입자 b에 의한 입자 a에 대한 힘이라고 쓰면 제3법칙의 약한 형태는 다음과 같다.
뉴턴 운동 법칙 제3법칙: 작용과 반작용의 법칙
모든 고전 역학적 힘은 이 조건을 만족한다. 이로써 질량 중심과 같은 개념을 정의할 수 있다.
반면, 제3법칙의 강한 형태(strong form)에 따르면, 작용력과 반작용력은 크기가 같고 방향이 서로 반대일 뿐만 아니라 두 힘의 방향이 두 입자를 잇는 직선과 평행해야 한다. 즉, 만약 a가 에, b가 에 위치해 있다면 두 힘은 다음과 같은 꼴을 취한다.
.
만유인력은 제3법칙의 강한 형태도 만족하지만, 전자기학의 로런츠 힘은 제3법칙의 약한 형태만 만족하고, 강한 형태는 만족하지 않는다. 예를 들어 점전하와 쌍극자를 잇는 직선에 수직으로 위치한 점전하와 완전쌍극자 사이의 상호작용은 제3법칙의 강한 형태를 따르지 않는다.
또한 예시로 대포, 총 등을 쏠때 탄환과 반동을 들 수 있다.
뉴턴 운동 법칙 유효 범위
1916년에 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론은 인류가 이때까지 해왔던 모든 예상 척도를 뛰어넘는 설명을 가능하게 해주었다. 하지만 빛의 속도에 비해 매우 낮은 속도에서는 아인슈타인의 상대론적 모형은 고전역학으로 수렴한다.
즉, 속도가 빛의 속도에 비해 매우 작으면 속도의 로런츠 인자 는 1에 수렴한다.
기단
기단(氣團, 영어: air mass)은 넓은 지역에 퍼져 있는 비슷한 성질의 공기의 덩어리를 말한다. 기단은 형성된 지역에 따라 성질(온도, 습도 등)이 달라지게 된다.
기단 기단의 구조
기단은 바다나 대륙과 같이 같은 성질의 지표면과 대기가 오랫동안 접촉하고 있으면 열 또는 수증기를 교환해서 같은 성질을 가진 거대한 공기의 덩어리 즉 기단이 된다. 대기가 지표면과 오래 접촉하려면 바람이 약해야 한다는 것이 중요조건이 된다. 이와 같은 조건에 맞는 곳은 고기압권 내이므로 기단의 명칭은 고기압의 이름과 일치되는 수가 많다. 예를 들면 북태평양 기단 · 오호츠크해 기단 · 시베리아 기단 등을 들 수 있다. 기단의 성질은 온난 · 한랭 · 습윤 · 건조를 조합해서 표시한다. 해양에서 발생한 기단은 습윤하고 대륙에서 발생한 기단은 건조하다.
기단 기단의 변질
기단은 언제까지나 발원지에 머물러 있는 것이 아니라 그때그때의 기상 상황에 따라 발원지를 떠나 다른 지역으로 이동한다. 그러면 기단은 하층에서부터 점차 이동해 온 지표면의 영향을 받아 성질이 변해 간다.
차가운 기단이 따뜻한 지역으로 이동해 오면 하층에서부터 따뜻해지기 때문에 불안정해진다. 그래서 기단 상층까지 급격하게 변질된다. 특히 대륙성 한대기단이 따뜻한 해면 위에 이동해 온 경우에는 하층에서 열을 흡수하여 불안정해질 뿐만 아니라 동시에 다량의 수증기도 흡수하여 습도가 높아진다. 이와 같은 경우에는 적운형 구름이 생기기 쉽다. 겨울에 시베리아 기단이 남동진하여 한반도 부근 해상에 도착했을 때는 시베리아 기단이 원래의 찬 성질을 잃어 비교적 따뜻한 기단으로 변질된다. 오호츠크해 기단도 남하할 때 하층부터 따뜻해지는데, 시베리아 기단과 같이 급격하게 따뜻한 기단으로 변질되지는 않는다.
기단 기단의 변질
이와는 반대로 따뜻한 기단이 차가운 지역으로 이동하는 경우에는 하층에서부터 냉각되어 안정을 유지한다. 그래서 기단 상층까지는 급격하게 변질되지 않는다. 이러한 경우에는 층운형 구름이 많이 생긴다. 여름에 태평양의 아열대 기단이 수온이 낮은 한반도 동해상으로 북상하면 하층에서 점차 냉각되어 종종 짙은 안개가 발생한다.
기단 기단과 날씨
어떤 지역의 날씨 변화를 생각할 때 그곳이 어떤 기단에 덮여 있는지 또는 그 기단이 어디에서 발생하여 어떠한 경로를 거쳐 오는지를 아는 것이 중요하다. 예를 들어 한반도가 같은 시베리아 기단으로 뒤덮여 있을 경우라도 이 기단이 일단 중국까지 남하하고 나서 동진해 올 경우에는 기단은 이미 상당히 따뜻해져 있으므로 강한 찬 공기를 가져오지 않는다. 그러나 시베리아 기단이 대륙에서 직접 한반도로 올 경우에는 한파와 서해안과 동해안, 울릉도, 독도, 제주도 등의 지방에 시베리아 기단으로부터 불어오는 차가운 대기와 상대적으로 따뜻한 바다의 온도 차로 인하여 발생한 눈 구름으로 인하여 많은 눈이 내리는 경우가 많다.
기단 한반도에 영향을 주는 기단
한반도에 영향을 주는 기단은 다음과 같다.
멘델의 유전법칙
멘델의 유전법칙(영어: Mendelian inheritance)은 그레고어 멘델이 완두콩을 이용한 7년의 실험을 정리하여 1865년에서 1866년 사이에 발표한 유전학의 법칙이다. 멘델의 유전법칙은 발표 초기 그리 큰 관심을 받지 않았으나 20세기 초 재발견된 후 큰 영향력을 발휘하였다. 1915년 토머스 헌트 모건이 보페리-서튼 유전자 이론과 함께 멘델의 유전법칙을 유전학의 기본적인 법칙으로 제시하였고, 이로써 고전 유전학이 완성되었다.
멘델의 유전법칙 역사
그레고어 멘델은 19세기 오스트리아의 교회 사제였다. 멘델은 1856년에서 1863년까지 교배 실험을 하여 얻은 29,000여 개의 완두콩에 대한 형질 조사를 바탕으로 멘델의 유전법칙을 정리하였다. 그는 이 실험결과를 두 부분으로 나누어 각각 1865년 2월 8일과 1866년 3월 8일에 브르노에 있는 자연사 학회에 〈식물 교잡 실험〉이라는 제목으로 송고하였다.
멘델의 논문은 주목받지 못했다. 당시 생물학은 많은 부분이 미지의 영역으로 남아있었으며, 멘델 스스로도 자신의 실험을 모든 종의 유전형질로 일반화시킬 수 있다고 생각하지는 않았다. 당시의 유전에 대한 일반적인 인식은 오늘날 유전자 연관에 의해 설명되는 혼혈 유전이 전부였다. 멘델은 자신의 실험이 중요성을 인정받지 못하자 낙담하였고, 얼마 후 수도원장으로 임명되자 더 이상 실험을 진행하지 않았다. 다만 "나는 내 자신의 실험에 만족하며 이 실험이 세상에 큰 영향을 미칠 것이다"라는 기록을 남겼다.
멘델의 유전법칙 역사
1900년 무렵 휘호 더프리스, 카를 코렌스, 에리히 폰 체르마크와 같은 유럽의 과학자들이 잇달아 멘델의 유전법칙을 재발견하였다. 더프리스는 자신의 연구 논문 각주에 멘델의 실험 결과를 바탕으로 한 것임을 명기하였으며, 코렌스는 더프리스의 논문을 참조하였음을 밝히고 있다. 그러나 체르마크는 자신이 독자적으로 법칙을 발견하였다고 여겼다.
1905년 윌리엄 베이트슨은 멘델의 유전법칙을 재발견하면서 "유전자", "대립형질"과 같은 용어를 정립하였다. 베이트슨은 1906년 런던에서 열린〈제3차 국제 식물 잡종 연구 컨퍼런스〉에서 자신이 재발견한 멘델의 유전법칙을 발표하였고 이와 관련한 학문에 유전학이란 이름을 붙여 세계적인 명성을 얻게 되었다.
한편, 1902년 당시 대학원생이던 미국의 월터 서튼과 독일의 동물학자 테오도르 보페리는 서로의 연구를 알지 못한 채 멘델의 유전법칙이 일어나는 원인이 염색체에 있다고 가정하였다. 그러나 둘 다 실험적으로 이를 증명하지는 못했다. 1910년 미국 컬럼비아대학의 토머스 헌트 모건은 노랑초파리에 주목하였다. 노랑초파리는 세대가 짧고 기르기가 쉬워 유전학 연구에 알맞은 모델 생물의 역할을 하였다. 1915년 모건은 수년 간의 연구 결과를 정리하여 《멘델 유전법칙의 기제》를 발표하여 염색체가 유전형질을 전달한다는 것을 증명하였다. 이로써 고전 유전학이 정립되었다.
멘델의 유전법칙 멘델의 완두실험
멘델은 완두콩을 오랫동안 자가수분하여 특정한 유전형질이 고정된 순종을 얻었다. 그리고 일곱 가지 대립되는 유전형질을 선택하여 이를 잡종 교배할 경우 자식 세대에 발현되는 형질은 어떻게 되는지 관찰하였다.
멘델의 유전법칙 유전 법칙
멘델은 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다.
멘델의 유전 법칙은 다음과 같다.
우열의 원리
순종의 대립 형질끼리 교배시켰을 때 잡종 제 1대(F1)에서 우성 형질만 발현한다.
원래 '우열의 법칙'으로 불렸으나, '우열의 법칙'이라고 하기에는 어긋나는 예가 많아 '우열의 원리'로 정정되었다.
분리의 법칙
우성만이 발현된 잡종 제1대(F1)를 자가 수분하여 얻은 잡종 제2대(F2)에서 1⁄4의 확률로 열성이 분리된다.
독립의 법칙
멘델이 선택한 7가지 대립형질 중 두 쌍 이상의 대립 형질이 유전되는 경우, 각각의 형질은 서로에게 영향을 미치지 않고 독립적으로 발현한다.(오른쪽 그림 참조)