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심리학, 인지 과학, 신경 과학, 경제학을 포함한 광범위한 학문 분야의 연구는 인간이 특정 시점에 사용할 수 있는 인지 자원이 제한적이며, 한 가지 작업에 자원이 할당되면 다른 작업에 사용할 수 있는 자원은 제한된다는 것을 시사한다. 주의가 다른 인지 가능한 정보를 배제하고 특정 정보 항목에 자원을 선택적으로 집중시키는 인지 과정이라는 점을 고려할 때, 주의는 제한된 처리 자원의 관점에서 볼 수 있다.
주목경제학의 개념은 심리학자이자 경제학자인 허버트 사이먼이 1971년에 정보가 풍부한 세상에서 주의의 희소성에 대해 글을 쓰면서 처음 이론화되었다.
정보가 풍부한 세상에서 정보의 풍요는 다른 것의 부족을 의미한다. 즉, 정보가 소비하는 모든 것의 희소성이다. 정보가 소비하는 것은 매우 명백하다: 그것은 수신자의 주의를 소비한다. 따라서 정보의 풍요는 주의의 빈곤을 초래하며, 주의를 소비할 수 있는 수많은 정보원들 사이에서 그 주의를 효율적으로 할당해야 할 필요성을 야기한다.
그는 정보 시스템 설계자 중 많은 사람이 설계 문제를 주의 희소성보다는 정보 희소성으로 잘못 이해했으며, 그 결과 사람들에게 점점 더 많은 정보를 제공하는 데 탁월한 시스템을 구축했지만, 실제로 필요한 것은 중요하지 않거나 관련 없는 정보를 걸러내는 데 탁월한 시스템이었다고 지적했다.
정보 과다 문제를 경제적 문제로 특징지은 사이먼의 견해는 1990년대 중반 이후 토머스 H. 데이븐포트와 마이클 골드하버와 같은 작가들이 "주목경제"와 "주목경제학"과 같은 용어를 사용하면서 정보 소비 분석에서 점점 더 인기를 얻게 되었다.
일부 작가들은 주의 기반 거래가 경제 경제체제의 중심으로서 금융 거래를 대체할 것이라고 추측했다. 예를 들어, 골드하버는 1997년에 "돈이 관련된 거래는 총량이 증가할 수 있지만, 전 세계 주의 거래의 총량은 훨씬 더 빠르게 증가하고 있다"고 썼다. 1999년 에세이에서 게오르크 프랑크는 잡지나 텔레비전과 같은 광고 기반 미디어의 경우 "주의 수입이 재정적 성공보다 중요하다"고 주장했다.
정보 시스템 연구자들도 이 아이디어를 채택하여 주의에 대한 재산권을 창출하는 아이디어를 기반으로 하는 메커니즘 디자인을 조사하기 시작했다 ( 응용 참조).
2022년 라이스 대학교 교수 아드리안 레나르딕과 두 명의 공동 저자는 빅싱크에 주목경제가 과학 연구에 부정적인 영향을 미쳤다고 썼다: "과학자의 연구가 대중으로부터 얻는 주의는 이제 인지된 가치에 영향을 미친다. 과학자들은 이력서에 언론 노출 횟수를 기재하고, 많은 박사 학위 논문에는 후보자의 연구가 대중 과학 언론에 등장한 횟수가 포함된다. 과학은 주목경제에 굴복했다." 그들은 연구 결과가 적절한 동료 검토나 재현성 없이 공표된다고 덧붙였다.
부정적 외부성.
경제학 이론에서 시장 교환은 의도치 않은 결과, 즉 외부성을 가질 수 있으며, 이는 소비자가 선불로 지불하는 가격에 반영되지 않는다. 이러한 결과가 관련 없는 제3자에게 부정적인 영향을 미칠 때, 이를 부정적 외부성이라고 하며, 오염이 흔한 예이다. 주목경제는 개인과 공동체 모두에게 영향을 미치는 사회에 부정적 외부성을 발생시킨다.
소셜 미디어 중독 및 정신 건강 영향.
주목경제의 부정적 외부성 중 하나는 소셜 미디어 중독이다. 인간 주의의 수익화를 고려할 때, 소셜 미디어 플랫폼은 주로 뇌의 보상 시스템에 영향을 미쳐 사용자 참여를 극대화하도록 설계되었다. 사용자가 소셜 미디어에서 긍정적인 피드백을 받거나 새로운 콘텐츠를 볼 때, 뇌는 도파민을 분비하여 사용자가 장시간 플랫폼에 머무르고 반복적으로 다시 방문하게 된다. 소셜 미디어 중독은 우울증, 불안, 낮은 자존감과 같은 부정적인 정신 건강 결과와 연관되어 있다.
넷플릭스 다큐멘터리 소셜 딜레마는 검색 엔진과 소셜 미디어 플랫폼의 알고리즘이 온라인 참여를 극대화하면서 사용자에게 부정적인 영향을 미치는 방식을 보여준다.
가짜 정보 확산.
2010년대에 소셜 미디어는 온라인 광고 기술과 결합하여 주목경제의 사업 모형에서 상당한 성장을 이끌었다. 한켄 경제대학원(Hanken School of Economics) 연구원들이 수행한 연구에 따르면, 주목경제가 온라인 광고와 결합될 때 발생하는 금융 구조는 가짜뉴스의 유포와 이윤을 위한 역정보의 확대를 초래할 수 있다.
감시 자본주의와 윤리적 고려 사항.
주목경제의 또 다른 부정적 외부성은 감시 자본주의의 부상이다. 이는 기업이 이윤을 위해 개인 데이터를 수집하여 사고파는 관행을 설명한다.
사용자 주의를 사로잡기 위해 기업은 인구 통계 및 행동 패턴과 같은 데이터를 수집하고 이를 활용하여 얻은 데이터를 기반으로 사용자의 관심사에 맞는 개인화된 사용자 경험을 만든다. 기업은 또한 종종 사용자 동의 없이 이 데이터를 제3자에게 판매한다. 이러한 관행은 개인 정보 보호, 데이터 오용, 지역사회에 대한 오해와 관련하여 윤리적 우려를 제기한다.
소외 계층에 대한 주의.
주목경제 내에서 참여 지표는 콘텐츠와 내러티브의 가시성에 영향을 미친다. 주목경제의 알고리즘은 참여를 극대화하도록 설계되었으며, 종종 지배적인 문화적 정체성에 부합하는 콘텐츠를 우선시한다. 그 결과, 소외된 집단은 자신들의 관점과 우려 사항을 대표하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 예를 들어, 틱톡과 같은 플랫폼의 흑인 크리에이터들은 Black Lives Matter 운동에 대한 게시물 이후 참여가 크게 감소했다고 보고했으며, 이는 그들이 섀도 밴을 당했음을 시사한다. 또한, 소외된 크리에이터의 가시성을 제한하면 그들이 받는 주의의 양이 줄어든다. 이는 결국 그들이 사회 운동에 참여하고 지역사회에 영향을 미치는 문제에 대한 인식을 대중에게 확산하는 능력을 저해한다.
디지털 문화 전문가 케빈 켈리에 따르면, 2008년까지 주목경제는 소비자 제품을 재생산하는 데 거의 비용이 들지 않으며, 제품 공급자가 직면한 문제는 어떤 비용으로도 재생산할 수 없는 가치 있는 무형 자산을 추가하는 것이었다. 그는 이러한 무형 자산을 다음과 같이 정의한다.
사회적 주의, 집단적 주의.
주목경제학은 사회적 영역과도 관련이 있다. 특히 장기적인 주의는 사람들이 타인과의 상호 작용을 관리하는 데 쏟는 주의에 따라 고려될 수 있다. 이러한 상호 작용에 너무 많은 주의를 기울이면 "사회적 상호 작용 과부하"로 이어질 수 있다. 즉, 사람들이 다른 사람들과의 관계를 관리하는 데 압도당하는 경우, 예를 들어 사람들이 높은 수준의 사회적 요청에 직면하는 소셜 네트워크 서비스의 맥락에서 그렇다. 디지털 미디어와 인터넷은 주의를 분배하는 새로운 채널을 만들어 이 경제에 대한 참여를 용이하게 한다. 일반 사람들도 이제 자신의 콘텐츠를 게시하고 다른 사람의 콘텐츠에 댓글을 달아 많은 청중에게 도달할 수 있게 되었다.
사회적 주의는 또한 집단적 주의와 관련될 수 있다. 즉, "새로운 항목에 대한 주의가 어떻게 확산되고 결국 대규모 인구 사이에서 사라지는지"이다.
"주목경제학"은 잠재적 소비자의 주의를 자원으로 취급한다. 전통 미디어 광고주들은 소비자가 AIDA (주의, 관심, 욕망, 행동)라는 선형 과정을 거친다고 제안하는 모델을 따랐다. 따라서 주의는 비소비자를 전환하는 과정에서 중요하고 첫 번째 단계이다. 소비자에게 광고를 전송하는 비용이 소비자가 처리할 수 있는 것보다 더 많은 광고를 전송할 수 있게 됨에 따라 (예: 온라인 광고를 통해), 소비자의 주의가 할당되어야 할 희소한 자원이 된다. 따라서 정보의 초과 공급은 개인이 제품을 계속 검색하고 비교하는 한 더 많은 것을 제공할 것이라는 약속을 지키기 때문에 의사 결정을 방해할 수 있다.
동의하지 않는 소비자에게 보상 없이 시선을 끄는 콘텐츠를 제시하는 광고주들은 주의 도용을 저지른다는 비판을 받아왔다.
정보 오염 통제.
한 가지 응용 분야에서는 다양한 형태의 정보(예: 스팸, 광고)를 오염 또는 '해로운 외부성'의 한 형태로 취급한다. 경제학에서 외부성은 생산 과정의 부산물로서, 상품의 의도된 소비자 외의 당사자에게 부담(또는 혜택)을 부과하는 것을 말한다. 예를 들어, 대기 및 수질 오염은 사회와 환경에 부담을 주는 '부정적' 외부성이다.
외부성 통제를 위한 시장 기반 접근 방식은 로널드 코스의 사회적 비용의 문제 (1960)에 설명되어 있다. 이는 연방 통신 위원회에 관한 기사(1959)에서 발전한 것으로, 코스는 무선 주파수 간섭이 재산권 생성을 통해 통제될 수 있는 부정적 외부성이라고 주장했다.
코스의 외부성 관리 접근 방식은 재산권과 권리 초기 할당 규칙을 신중하게 명시해야 한다. 이러한 권리가 명시되고 할당되면 시장 기구가 이론적으로 외부성 문제를 관리할 수 있다.
이메일 스팸.
수많은 이메일 메시지를 보내는 것은 스패머에게 거의 비용이 들지 않는다. 이메일 메시지의 비용은 메시지를 배포하는 인터넷 서비스 제공자 (및 메시지를 처리하는 데 주의를 할애해야 하는 수신자)에게 분산되기 때문이다. 따라서 가능한 한 많은 스팸을 보내는 것은 합리적인 전략이다. 수신자의 0.001%(100,000명 중 1명)만이 판매로 전환되더라도 스팸 캠페인은 수익성이 있을 수 있다. 물론 이러한 사업은 프록시 서버를 통해 운영되므로 모든 수익이 어디서 나오는지 이해하기는 매우 어렵다. 그러나 수익성이 없다면 스팸을 보내지 않을 것이라고 결론 내리는 것이 합리적이다. 스패머는 잠재 고객의 귀중한 주의를 요구하지만, 현재 이메일 시스템의 아키텍처 때문에 이 주의에 대한 공정한 대가를 지불하는 것을 피한다.
이를 완화할 수 있는 한 가지 방법은 "발신자 보증금"을 구현하는 것이다. 이는 발신자가 금융 보증금을 예치해야 하며, 충분한 수신자가 이메일을 스팸으로 신고하면 이 보증금을 몰수하는 방식이다.
이와 밀접하게 관련된 아이디어는 "방해 권리" 또는 사람의 주의를 요구할 권리에 대한 소액 수수료를 판매하는 것이다. 이 권리의 비용은 방해받는 사람에 따라 달라질 수 있다. 포춘 500대 기업의 CEO에 대한 방해 권리는 엄청나게 비쌀 것이고, 고등학생의 방해 권리는 더 낮을 수 있다. 비용은 상황에 따라 개인별로 달라질 수 있는데, 바쁜 연휴 기간에는 오르고 여름철에는 내릴 수 있다. 방해받는 사람들은 친구, 가족 및 기타 환영받는 방해자로부터 수수료를 받지 않을 수 있다.
이러한 맥락의 또 다른 아이디어는 "주의 채권"을 만드는 것이다. 이는 수신자의 시간을 낭비하지 않을 것이라는 소액 보증금을 보내는 시점에 에스크로에 예치하는 방식이다. 방해 권리 부여자와 마찬가지로, 수신자는 채권을 현금화하여 해당 통신이 시간 낭비였음을 발신자에게 알리거나, 현금화하지 않아 더 많은 통신을 환영한다는 신호를 보낼 수 있다.
웹 스팸.
검색 엔진이 웹에서 정보를 찾고 접근하는 주요 수단이 되면서, 특정 검색어에 대한 결과의 높은 순위는 검색자가 주의를 집중하도록 유도하는 능력 때문에 귀중한 상품이 되었다. 다른 정보 시스템과 마찬가지로 웹 검색도 오염에 취약하다: "웹 환경에는 이윤 추구 기업이 존재하므로, 검색 엔진 알고리즘에 반응하여 주의를 끄는 전략이 발전한다."
대부분의 주요 검색 엔진이 검색 결과 순위를 결정하기 위해 페이지랭크 (사이트에 대한 하이퍼링크를 재귀적으로 세는 방식) 형태에 의존하기 때문에, 하이퍼링크 생성 및 거래에 대한 회색 시장이 등장했다. 이 시장의 참여자들은 링크 스팸, 링크 팜, 상호 링크와 같은 다양한 관행에 참여한다.
위에서 논의된 정치적 이메일 캠페인을 스팸으로 간주해야 하는지 여부와 유사한 또 다른 문제는 정치적 동기가 있는 링크 캠페인이나 구글 폭탄에 대해 어떻게 해야 하는지이다. 현재 주요 검색 엔진은 이를 웹 스팸으로 간주하지 않지만, 이는 민간 기업이 일방적으로 내린 결정이다.
판매 리드 생성.
소프트웨어 애플리케이션은 사용자가 무언가를 찾는 데 너무 오랜 시간이 걸리면 다른 애플리케이션을 통해 찾을 것이라는 인식을 바탕으로 사용자 인터페이스 디자인에서 주목경제를 명시적 또는 암묵적으로 고려한다. 이는 예를 들어 시청자에게 과거 웹 검색 기록을 기반으로 가장 관련성 있고 흥미로우며 개인화된 정보를 제공하기 위해 필터를 생성함으로써 이루어진다.
유료 포함 모델과 야후! 퍼블리셔 네트워크 및 구글의 애드센스와 같은 더 광범위한 광고 네트워크는 소비자 주의를 검색 엔진(유료 포함의 경우) 또는 게시자(광고 네트워크의 경우)의 재산으로 취급함으로써 작동한다. 이는 개인의 주의를 그 자신의 재산으로 취급하는 주의에 대한 재산권의 스팸 방지 용도와는 다소 다르다.
이러한 광고 모델은 종종 개인 데이터를 활용하여 광고를 더 효과적으로 타겟팅함으로써 소비자 행동에 상당한 영향을 미친다. 이는 사용자 관심사에 광고를 맞춰 사용자 경험을 향상시킬 수 있지만, 개인 정보 보호 문제와 소비자 조작으로 이어질 수 있다. 과도한 광고 노출이 광고에 대한 주의 및 참여 감소로 이어지는 "광고 피로" 현상도 주목할 만하다.
인공지능과 머신러닝의 발전은 유료 포함 및 광고 네트워크를 변화시켰다. 이러한 기술은 광고의 더욱 정교한 타겟팅과 개인화를 가능하게 하여 효율성을 높였지만, 감시와 데이터 프라이버시에 대한 우려도 증폭시켰다.
유료 포함 및 광고 네트워크 규제는 다양한 이해관계를 가진 여러 이해관계자가 얽혀 있어 복잡하다. 혁신 장려와 소비자 프라이버시 보호 사이의 균형에 대한 논의가 계속되고 있다. 윤리적 고려 사항에는 이러한 모델의 투명성과 정보 생태계에 미치는 영향이 포함되며, 이는 편향되거나 조작된 콘텐츠로 이어질 가능성이 있다.
발삼전나무()는 북아메리카 대륙 북부에 분포하는 구과목 전나무과에 속하는 상록 침엽수의 일종이다. 캐나다 중부 및 동부·미국 북동부에 걸쳐서 분포한다.
단백질 합성 저해제(蛋白質合成沮害劑, )는 새로운 단백질의 합성으로 직접 이어지는 과정을 방해하여 세포의 생장이나 증식을 멈추게 하거나 늦추는 화합물이다.
이 정의를 광범위하게 해석하면 농도에 따라 거의 모든 화합물을 설명하는 데 사용할 수 있지만, 실제로는 일반적으로 번역 기구(리보솜 자체 또는 번역인자)에서 분자 수준에서 작용하는 화합물을 의미하며, 원핵생물과 진핵생물 리보솜 구조 사이의 주요 차이점을 이용한다.
일반적으로 단백질 합성 저해제는 세균의 mRNA가 단백질로 번역되는 과정의 여러 단계(개시, 신장(아미노아실-tRNA 진입, 교정, 펩티딜기 전이, 세균의 자리옮김 포함), 종결)에서 작용한다.
결합 부위.
다음의 항생제는 리보솜의 30S 소단위체에 결합한다.
다음의 항생제는 50S 리보솜 소단위체에 결합한다.
장재훈은 대한민국의 기업인으로, 2025년부터 현대자동차그룹 부회장으로 재임 중이다.
서울특별시 출신으로 고려대학교를 학사졸, 미국 보스턴 대학교에서 경영학 석사 학위를 받았다. 일본 닛산과 미국 제너럴일렉트릭에서 근무하였다. 이에 영어와 일어에 능통하며, 실제로 2022년, 12년 만에 일본 시장 재진출을 선언할 당시 일본어를 유창하게 구사하였다. 2011년 현대글로비스를 거쳐 2012년 현대자동차에 합류한 뒤 국내사업본부장, 제네시스사업본부장을 역임하고 2020년 말 대표이사 사장직에 올랐다.
아시아·태평양 지역 최대 경제포럼인 2025 아시아 태평양 경제 협력체(APEC) 최고경영자 서밋의 '수소, 모빌리티를 넘어 사회를 위한 새로운 에너지' 세션에 참석해 수소위원회 CEO인 이바나 제멜코바와의 대담에서 "글로벌 에너지 지형이 지속 가능한 에너지원 중심으로 재편되는 가운데, 수소는 그 변화의 핵심 축으로 부상하고 있다"고 밝혔다.
물리학에서 현상학(phenomenology)은 알려진 이론에 기반하여 정량적인 예측을 통해 이론물리학을 실험 데이터에 적용하는 것이다. 이는 현실 속 현상에 대한 예상된 행동을 기술한다는 점에서 현상학의 철학적 개념과 관련이 있다. 현상학은 예측을 하는 대신 과학적 가설을 시험하는 것이 목적인 과학적 방법에서 실험과 대조된다.
현상학은 일반적으로 입자물리학 분야에 적용되며, 수학적 모델인 이론물리학(예: 양자장 이론 및 시공간 구조 이론)과 고에너지 입자 실험의 결과 사이의 다리 역할을 한다. 때로는 응집물질물리학 및 플라스마 물리학와 같이 관찰된 실험 데이터에 대한 기존 이론이 없을 때 다른 분야에서도 사용된다.
입자물리학에서의 응용.
표준 모형의 결과.
잘 검증되고 일반적으로 받아들여지는 표준 모형 내에서, 현상학은 실험에 대한 상세한 예측을 계산하는 것으로, 일반적으로 높은 정밀도(예: 복사 보정 포함)로 이루어진다.
CKM 행렬 계산.
CKM 행렬은 이러한 예측에 유용하다.
이론 모델.
표준 모형 이후의 물리학에서 현상학은 새로운 모델의 실험적 결과, 즉 새로운 입자를 어떻게 찾을 수 있는지, 모델 매개변수를 어떻게 측정할 수 있는지, 그리고 모델을 다른 경쟁 모델과 어떻게 구별할 수 있는지에 대해 다룬다.
현상학적 분석.
현상학적 분석은 특정 표준 모형의 섹터에서 표준 모형을 넘어서는 효과의 가장 일반적인 집합을 추가하는 것의 실험적 결과를 연구하는 것으로, 일반적으로 이상 결합 및 고차원 연산자 측면에서 매개변수화된다. 이 경우 "현상학적"이라는 용어는 과학철학적 의미에서 더 많이 사용된다.
다체 문제(many-body problem)는 상호 작용하는 많은 입자로 구성된 미시적 시스템의 속성과 관련된 광범위한 물리 문제에 대한 일반적인 이름이다.
여기서 미시적이라는 것은 시스템에 대한 정확한 설명을 제공하기 위해 양자역학이 사용되어야 함을 의미한다. 다수라는 것은 3개에서 무한대(실질적으로 무한하고 균질하거나 결정과 같은 주기적인 시스템의 경우)까지 다양할 수 있으며, 3체 및 4체 시스템은 특정 수단(각각 파데예프 및 파데예프-야쿠보프스키 방정식)으로 처리될 수 있으므로 때로는 소수체계로 분류되기도 한다.
일반적으로 각 개별 입자의 운동을 지배하는 근본적인 물리 법칙은 단순할 수도 있고 아닐 수도 있지만, 입자 집합에 대한 연구는 매우 복잡할 수 있다. 이러한 양자 시스템에서는 입자들 간의 반복적인 상호 작용으로 인해 양자 상관 관계 또는 얽힘이 발생한다. 결과적으로 시스템의 파동 함수는 방대한 양의 정보를 담고 있는 복잡한 객체이며, 이는 일반적으로 정확하거나 분석적인 계산을 비실용적이거나 심지어 불가능하게 만든다.
이는 고전역학과 비교할 때 특히 명확해진다. formula_1개의 숫자로 설명할 수 있는 단일 입자를 상상해 보자(예를 들어, 위치 및 속도 벡터로 설명되는 자유 입자의 경우 formula_2). 고전역학에서는 formula_3개의 입자를 단순히 formula_4개의 숫자로 설명할 수 있다. 고전적 다체 시스템의 차원은 입자 수 formula_5에 선형적으로 비례한다.
그러나 양자역학에서는 다체 시스템이 일반적으로 단일 입자 상태 조합의 중첩 상태에 있다. 즉, formula_6개의 서로 다른 조합을 모두 고려해야 한다. 따라서 양자 다체 시스템의 차원은 formula_5에 지수적으로 비례하며, 고전역학보다 훨씬 빠르게 증가한다.
필요한 수치 계산 비용이 매우 빠르게 증가하기 때문에, 3개 이상의 양자역학적 입자의 동역학을 시뮬레이션하는 것은 많은 물리 시스템에서 이미 실행 불가능하다. 따라서 다체 이론 물리학은 종종 당면한 문제에 특정한 근사치 세트에 의존하며, 과학 분야에서 가장 계산 집약적인 분야 중 하나이다.
많은 경우, 근본적인 기본 법칙과 거의 유사하지 않은 창발적 현상이 발생할 수 있다.
다체 문제는 응집물질물리학에서 중심적인 역할을 한다.
물리학에서 저온학(cryogenics)은 극저온에서의 물질의 생산 및 거동이다.
제13차 국제냉동협회(IIR) 국제냉동총회(1971년 워싱턴 DC 개최)는 이러한 용어들을 기존 냉동과 구별하기 위해 의 문턱값을 수용함으로써 "저온학"과 "극저온"에 대한 보편적인 정의를 승인했다. 이는 논리적인 구분선으로, 헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소 및 일반적인 공기와 같은 소위 영구 기체의 정상 끓는점이 120K 미만인 반면, 프레온 냉매, 탄화수소 및 기타 일반적인 냉매는 끓는점이 120K 이상이기 때문이다.
질소의 끓는점보다 훨씬 높은 임계 온도를 가진 초전도 물질의 발견은 고온 극저온 냉동을 생산하는 신뢰할 수 있고 저렴한 방법에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다. "고온 극저온"이라는 용어는 액체 질소의 끓는점인 부터 까지의 온도를 나타낸다. 초전도 특성의 발견은 1908년 7월 10일 헤이커 카메를링 오너스가 2K의 온도에 도달한 후 처음으로 인정받았다. 이 첫 번째 초전도 특성은 4.2K의 온도에서 수은에서 관찰되었다.
저온학자들은 해수면에서 물의 어는점을 기준으로 측정하는 일반적인 섭씨와 같은 스케일보다는 해수면에서 특정 염수 용액의 어는점을 기준으로 측정하는 화씨와 같은 스케일보다는 둘 다 절대 영도부터 측정하는 켈빈 또는 란씨 온도 스케일을 사용한다.
정의 및 구분.
저온학.
초저온(즉, 123K 미만의 극저온)의 연구, 이를 생산하는 방법, 그리고 해당 온도에서 물질이 어떻게 거동하는지를 다루는 공학 분야.
저온생물학.
저온이 생물에 미치는 영향을 연구하는 생물학 분야(대부분 냉동보존을 달성하기 위한 목적). 다른 응용 분야로는 의약품 구성 요소 및 의약품의 동결 건조(Lyophilization)가 있다.
동물 유전 자원의 저온 보존.
품종 보존을 목적으로 유전 물질을 보존하는 것. 유전 물질의 보존은 비인간에게만 국한되지 않는다. 많은 서비스는 유전자 저장 또는 출생 시 줄기세포 보존을 제공한다. 이는 세포주의 생성 연구 또는 줄기세포 치료에 사용될 수 있다.
저온 수술.
암세포와 같은 조직을 파괴하고 죽이기 위해 극저온을 적용하는 수술 분야. 일반적으로 냉동절제술이라고 불린다.
극저온 전자공학.
극저온에서의 전자 현상 연구. 예시로는 초전도 현상과 변수 범위 호핑이 있다.
인체냉동보존.
미래의 부활을 목적으로 인간과 동물을 냉동보존하는 것. "저온학"은 대중문화와 언론에서 때때로 "인체냉동보존"을 의미하는 것으로 잘못 사용되기도 한다.
저온학(cryogenics)이라는 단어는 그리스어 κρύος (크리오스) – "차가운" + γενής (게니스) – "생성하는"에서 유래했다.
극저온 유체.
켈빈 단위의 끓는점과 섭씨 단위의 극저온 유체.
액체 질소 및 액체 헬륨과 같은 액화가스는 많은 극저온 응용 분야에 사용된다. 액체 질소는 극저온학에서 가장 일반적으로 사용되는 원소이며 전 세계적으로 합법적으로 구매할 수 있다. 액체 헬륨도 일반적으로 사용되며 가장 낮은 도달 가능 온도를 달성할 수 있다.
이러한 액체는 듀어 플라스크에 보관할 수 있는데, 이는 액체로의 열 전달을 줄이기 위해 벽 사이에 높은 진공 상태가 있는 이중벽 용기이다. 일반적인 실험실 듀어 플라스크는 구형이며 유리로 만들어지고 금속 외부 용기로 보호된다. 액체 헬륨과 같은 극저온 액체를 위한 듀어 플라스크는 액체 질소로 채워진 또 다른 이중벽 용기를 가지고 있다. 듀어 플라스크는 수소를 처음 액화한 사람인 발명가 제임스 듀어의 이름을 따서 명명되었다. 보온병은 보호 케이스에 장착된 더 작은 진공 플라스크이다.
극저온 바코드 라벨은 이러한 액체가 들어 있는 듀어 플라스크에 표시하는 데 사용되며, -195°C까지도 성에가 끼지 않는다.
극저온 이송 펌프는 LNG 터미널에서 LNG선으로부터 액화천연가스를 LNG 저장 탱크로 이송하는 데 사용되는 펌프이며, 극저온 밸브도 마찬가지이다.
극저온 처리.
극저온 분야는 제2차 세계 대전 중 과학자들이 저온으로 냉각된 금속이 마모에 더 강하다는 것을 발견하면서 발전했다. 이러한 극저온 경화 이론을 바탕으로 상업적 극저온 처리 산업은 1966년 빌과 에드 부시 형제에 의해 설립되었다. 열처리 산업 배경을 가진 부시 형제는 1966년 디트로이트에 CryoTech라는 회사를 설립했다. 부시는 처음에는 열처리 대신 극저온 템퍼링을 사용하여 금속 공구의 수명을 원래 수명의 200%에서 400% 사이로 늘릴 수 있는지 실험했다. 이는 1990년대 후반에 다른 부품의 처리로 발전했다.
액체 질소와 같은 극저온 물질은 특수 냉각 및 동결 응용 분야에도 사용된다. 인기 있는 스타틴 약물의 활성 성분을 생산하는 데 사용되는 일부 화학 반응은 약 의 저온에서 발생해야 한다. 특수 극저온 화학 반응기는 반응열을 제거하고 저온 환경을 제공하는 데 사용된다. 백신과 같은 식품 및 생명공학 제품의 동결은 급속 동결 또는 침지 동결 시스템에서 질소를 필요로 한다. 특정 부드럽거나 탄력 있는 재료는 극저온에서 단단하고 부서지기 쉬운 상태가 되므로, 고온에서 쉽게 분쇄할 수 없는 일부 재료에 대해 극저온 분쇄(크리오 밀링)가 가능하다.
극저온 처리는 열처리를 대체하는 것이 아니라 가열-담금질-템퍼링 사이클의 확장이다. 일반적으로 품목이 담금질되면 최종 온도는 주변 온도이다. 이것은 대부분의 열처리 작업자가 냉각 장비를 가지고 있지 않기 때문이다. 주변 온도에 대한 금속학적으로 중요한 것은 없다. 극저온 공정은 이 작업을 주변 온도에서 까지 계속한다.
대부분의 경우 극저온 사이클은 열 템퍼링 절차 다음에 이어진다. 모든 합금이 동일한 화학 성분을 가지고 있지 않으므로 템퍼링 절차는 재료의 화학적 조성, 열 이력 및 도구의 특정 서비스 응용 분야에 따라 달라진다.
전체 과정은 3~4일이 걸린다.
극저온의 또 다른 용도는 로켓용 극저온 연료이며, 액체 수소가 가장 널리 사용되는 예이며, 최근 몇 년 동안 액체 메탄이 점점 더 널리 보급되고 있다. 액체 산소(LOX)는 훨씬 더 널리 사용되지만 연료가 아닌 산화제로 사용된다. 미국 항공 우주국의 주력 우주왕복선은 극저온 수소/산소 추진제를 궤도 진입의 주요 수단으로 사용했다. LOX는 세르게이 코롤료프가 소련 우주 프로그램을 위해 만든 로켓과 같이 비극저온 탄화수소인 RP-1 등유와 함께 널리 사용된다.
러시아 항공기 제조업체 투폴레프는 인기 있는 Tu-154 설계의 극저온 연료 시스템 버전을 개발했는데, 이를 Tu-155라고 한다. 이 항공기는 액화천연가스(LNG)로 알려진 연료를 사용하며 1989년에 첫 비행을 했다.
극저온의 일부 응용 분야:
장치 및 재료의 극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소, 액체 헬륨 또는 기계식 크라이오쿨러(고압 헬륨 라인 사용)를 통해 이루어진다. 기퍼드-맥마흔 크라이오쿨러, 펄스 튜브 크라이오쿨러 및 스털링 크라이오쿨러는 필요한 기본 온도 및 냉각 용량에 따라 널리 사용된다. 극저온학의 가장 최근 개발은 재생기 및 냉각기로 자석을 사용하는 것이다. 이러한 장치는 자기열량 효과로 알려진 원리에 따라 작동한다.
입자를 감지하는 데 사용되는 다양한 극저온 감지기가 있다.
30K까지의 극저온 온도 측정에는 저항 온도계인 Pt100 센서가 사용된다. 30K 미만의 온도에서는 정확도를 위해 실리콘 다이오드를 사용해야 한다.
단백질 합성 GTP가수분해효소() ()는 리보솜에 의한 mRNA의 단백질 번역에 관여하는 효소이다. 개시인자(, IF), 신장인자(, EF), 펩타이드-방출인자(), 펩타이드-방출 또는 종결인자()라고도 한다. 계통명은 GTP 포스포하이드롤레이스 (mRNA-번역-보조)()이다. 일반적으로 IF-2와 같은 번역 개시인자와 EF-Tu와 같은 번역 신장인자가 포함된다.
농업물리학(agrophysics)은 농학과 물리학의 경계에 있는 과학 분야로, 연구 대상은 농업생태계 즉, 물리적 대상인 생물체, 비오톱, 생물군집이며, 인간 활동의 영향을 받아 물리 과학의 방법을 사용하여 연구하고 설명한다. 농업물리학은 농업의 주요 문제를 해결하기 위해 정밀 과학의 성과를 활용하며, 환경 조건과 농업 재료 및 식품 생산의 품질에 특히 중점을 두고 농작물의 생산 및 가공에서 발생하는 재료와 과정을 연구하는 것을 포함한다.
농업물리학은 생물리학과 밀접하게 관련되어 있지만, 농업 활동과 생물 다양성에 관련된 식물, 동물, 흙, 대기의 물리학으로 제한된다. 이는 영양 (물질) 과학 및 농업생태학, 농업 과학, 생명공학기술, 유전학 등에 대한 지식을 포함하는 비오톱 및 생물군집의 특정 특징을 고려해야 한다는 점에서 생물리학과 다르다.
지역 토양 및 식물-대기 복합 시스템의 과거 경험 연구와 관련된 농업의 필요성은 실험 물리학을 다루는 새로운 분야인 농업물리학의 출현의 뿌리를 형성했다.
이 분야의 범위는 토양학 (물리학)에서 시작하여 원래 토양 환경 내의 관계 연구에 한정되었지만, 시간이 지남에 따라 농작물과 식품으로서의 농산물 및 수확후처리 재료의 특성에 영향을 미치고, 식품 과학에 적용하기 위한 영양 분야와는 다른 품질, 안전, 라벨링 문제로 확대되었다.
농업물리학 발전의 중심 연구소로는 루블린의 폴란드 과학 아카데미 산하 보그단 도브잔스키 농업물리학 연구소와 상트페테르부르크의 러시아 과학 아카데미 산하 농업물리학 연구소가 있다.
연구소 및 학회
학술 저널
화학은 물리학과 생물학, 약학, 그리고 의학 및 공학과 같은 응용과학을 연결하는 역할 때문에 종종 중심과학(the central science)이라고 불린다. 이러한 관계의 본질은 화학철학과 과학계량학의 주요 주제 중 하나이다. 이 문구는 시어도어 L. 브라운과 H. 유진 르메이의 교과서 '화학: 중심과학'에 사용되면서 대중화되었으며, 이 교과서는 1977년에 처음 출판되었고, 2021년에는 15판이 출판되었다.
화학의 중심 역할은 오귀스트 콩트의 과학에 대한 체계적이고 계층적 분류에서 볼 수 있다. 각 학문은 선행하는 분야에 대해 더 일반적인 틀을 제공한다 (수학 → 천문학 → 물리학 → 화학 → 생물학 → 사회과학s). 발라반과 클라인은 최근 화학이 상당한 수준의 분기를 제공하기 때문에 "중심과학"이라고 주장할 수 있는 과학의 부분적 순서를 보여주는 다이어그램을 제안했다. 이러한 연결을 형성할 때 하위 분야는 상위 분야로 완전히 환원될 수 없다. 하위 분야는 상위 과학 분야에는 존재하지 않는 창발적 아이디어와 개념을 가지고 있다고 인식된다.
따라서 화학은 원자, 양성자, 중성자, 전자, 열역학 등과 같은 입자를 지배하는 물리 법칙에 대한 이해를 기반으로 하지만, 양자역학으로 "완전히 '환원'되지 않았다"는 것이 입증되었다. 화학에서 원소의 주기성과 화학 결합과 같은 개념은 물리학이 정의하는 근본적인 힘 이상을 의미한다는 점에서 창발적이다.
같은 방식으로, 생명을 담당하는 메커니즘이 분자로 구성되어 있지만, 생물학은 화학으로 완전히 환원될 수 없다. 예를 들어, 진화의 메커니즘은 유기체의 DNA에 있는 유전적 염기쌍 순서의 돌연변이라는 이해를 통해 화학적 용어로 설명될 수 있다. 그러나 화학은 진화를 이끄는 자연선택과 같은 개념을 포함하지 않으므로 이 과정을 완전히 설명할 수 없다. 화학은 세포를 구성하는 분자를 연구하고 이해하는 방법론을 제공하기 때문에 생물학에 필수적이다.
화학에 의해 형성되는 연결은 여러 과학 분야의 개념을 활용하는 다양한 하위 분야를 통해 형성된다. 물리화학, 핵화학, 이론화학 분야에서는 화학과 물리학이 모두 필요하다. 화학과 생물학은 생화학, 의약화학, 분자생물학, 화학생물학, 분자유전학, 면역화학 분야에서 교차한다. 화학과 지구과학은 지구화학 및 수문학과 같은 분야에서 교차한다.
단일 단계 반응 또는 소반응(elementary reaction)은 하나 이상의 화학종이 단일 반응 단계와 단일 전이 상태를 거쳐 직접 반응하여 생성물을 형성하는 화학 반응이다. 실제로는 분자 규모에서 반응을 설명하기 위해 반응성 중간체가 감지되지 않거나 가정할 필요가 없는 경우 반응은 단일 단계 반응으로 간주된다. 겉보기에 단일 단계 반응으로 보이는 반응도 실제로는 가변적인 수명을 가진 반응 중간체가 있는 복잡한 화학 반응의 연속인 다단계 반응일 수 있다.
단분자 단일 단계 반응에서, 분자 는 해리되거나 이성질화하여 생성물을 형성한다.
일정한 온도에서 이러한 반응의 반응 속도는 화학종 의 농도에 비례한다.
이분자 단일 단계 반응에서 두 원자, 분자, 이온 또는 유리기 와 가 함께 반응하여 생성물을 형성한다.
일정한 온도에서 이러한 반응의 속도는 화학종 와 의 농도 곱에 비례한다.
단일 단계 이분자 반응의 속도식은 1864년 굴베르그와 바게가 처음 제안했기 때문에 때때로 질량작용의 법칙이라고도 불린다. 이러한 유형의 반응의 예로는 고리형 첨가 반응이 있다.
이 속도식은 이상 기체에 대한 충돌모형을 사용하여 기본 원리에서 유도할 수 있다. 묽은 유체의 경우 간단한 확률적 논증을 통해 동등한 결과가 얻어졌다.
충돌모형에 따르면 삼분자 단일 단계 반응에서 세 가지 화학종이 동시에 서로 반응할 확률은 무시할 수 있다. 따라서 이러한 삼분자 반응은 일반적으로 비단일 단계 반응으로 언급되며, 질량작용의 법칙과 일치하게 더 기본적인 이분자 반응의 집합으로 분해될 수 있다. 전체 반응 계획을 항상 도출할 수는 없지만, 반응 속도식을 기반으로 한 해법은 정상 상태 또는 미카엘리스-멘텐 근사값을 통해 종종 가능하다.
흡열 과정(endothermic process)은 주변에서 열을 흡수하는 화학적 또는 물리적 과정이다. 열역학 측면에서 볼 때, 시스템의 엔탈피 (또는 내부 에너지 )가 증가하는 열역학 과정이다. 흡열 과정에서 시스템이 흡수하는 열은 시스템으로 전달되는 열에너지이다. 따라서 흡열 반응은 일반적으로 시스템의 온도를 증가시키고 주변의 온도를 감소시킨다.
이 용어는 19세기 프랑스 화학자 마르셀린 베르텔로가 만들었다. 흡열(endothermic)이라는 용어는 '내부'를 의미하는 그리스어 ἔνδον (endon)과 '뜨거운' 또는 '따뜻한'을 의미하는 θερμ- (therm)에서 유래한다.
흡열 과정은 질산 암모늄()이 물()에 용해되는 것과 같은 화학적 과정이거나, 얼음 조각이 녹는 것과 같은 물리적 과정일 수 있다.
흡열 과정의 반대는 발열 과정으로, 열의 형태로, 때로는 전력량의 형태로 에너지를 방출하거나 "내뿜는" 과정이다. 따라서 흡열(endothermic)에서 endo는 에너지가 안으로 들어가는 것을 의미하고, 발열(exothermic)에서 exo는 에너지가 밖으로 나가는 것을 의미한다. 각 용어(흡열 및 발열)에서 접두사는 과정이 일어날 때 열(또는 전기 에너지)이 어디로 가는지 나타낸다.
다양한 과정(상태 변화, 화학 반응)에서 결합이 끊어지고 형성되므로 일반적으로 에너지 변화가 발생한다. 형성되는 결합의 에너지가 끊어지는 결합의 에너지보다 크면 에너지가 방출된다. 이를 발열 반응이라고 한다. 그러나 결합을 끊는 데 필요한 에너지가 방출되는 에너지보다 많으면 에너지가 흡수된다. 따라서 이는 흡열 반응이다.
어떤 과정이 자발적으로 일어날 수 있는지는 엔탈피 변화뿐만 아니라 엔트로피 변화()와 열역학 온도 에도 달려 있다. 어떤 과정이 특정 온도에서 자발 과정이라면, 생성물의 엔탈피가 더 높더라도 생성물은 반응물보다 더 낮은 열역학적 자유 에너지 를 가진다(일발성 과정). 따라서 흡열 과정은 일반적으로 불리한 엔탈피 증가를 극복하여 여전히 이 되도록 시스템에서 유리한 엔트로피 증가()를 필요로 한다. 녹는 것과 기화하는 것과 같이 엔트로피가 더 높은 무질서한 상태로의 흡열 상전이는 흔하지만, 중간 온도에서 자발적인 화학 과정은 거의 흡열적이지 않다. 가설적인 강한 흡열 과정에서 엔탈피 증가는 보통 을 초래하며, 이는 과정이 일어나지 않을 것임을 의미한다(전기 에너지나 광자 에너지에 의해 구동되지 않는 한). 흡열적이고 발열적인 과정의 예시는 다음과 같다.
흡열성(endothermic)과 내온성(endotherm)의 구별.
"흡열성(endothermic)"과 "내온성(endotherm)"이라는 용어는 모두 고대 그리스어 "내부"와 "열"에서 유래했지만, 맥락에 따라 매우 다른 의미를 가질 수 있다.
물리학에서 열역학은 시스템과 그 주변을 포함하는 과정에 적용되며, "흡열성(endothermic)"이라는 용어는 시스템이 에너지를 "(내)부로" 가져가는 반응을 설명하는 데 사용된다(반면 "발열성" 반응은 에너지를 "외부로" 방출한다).
생물학에서 체온 조절은 생물이 체온을 유지하는 능력이며, "내온성(endotherm)"이라는 용어는 내부 신체 기능에 의해 방출되는 열을 사용하여 적절한 온도를 유지함으로써 "내부로부터" 그렇게 할 수 있는 생물을 의미한다(반면 "외온동물"은 외부 환경의 열원에 의존한다).
톰슨 원자 모형, 플럼 푸딩 모형(plum pudding model) 또는 푸딩 모형(pudding model)은 폐기된 원자의 과학적 모형이다. 이 모형은 1897년 전자를 발견한 조지프 존 톰슨이 1904년에 처음 제안했으며, 1911년 어니스트 러더퍼드가 원자핵을 발견하면서 폐기되었다. 이 모형은 당시 알려진 원자의 두 가지 속성, 즉 전자가 존재한다는 것과 원자가 순 전하를 띠지 않는다는 것을 설명하려 했다. 논리적으로 전자의 음전하를 상쇄할 만큼의 양전하가 존재해야 했다. 톰슨은 이 양전하의 근원을 알지 못했기 때문에, 그것이 원자 전체에 분포되어 있으며 원자가 구형이라고 잠정적으로 제안했다. 이는 사용 가능한 증거, 또는 증거 부족에 가장 적합한 수학적으로 가장 단순한 가설이었다. 이러한 구 안에서 음전하를 띤 전자들은 서로 반발하면서 동시에 양전하를 띤 구의 중심에 끌려 원자 전체에 다소 고르게 분포될 것이다.
톰슨의 노력에도 불구하고, 그의 모형은 방출 스펙트럼과 원자가를 설명할 수 없었다. 금박 실험에서 알파 입자 산란에 대한 실험적 연구를 바탕으로 어니스트 러더퍼드는 양전하가 밀집된 핵을 특징으로 하는 대안적인 원자 모형을 개발했다.
톰슨의 모형은 전자들이 크리스마스 푸딩에 건포도가 박혀 있듯이 균일하게 분포되어 있다는 개념으로 "푸딩 모형"이라고 흔히 불린다. 톰슨이나 그의 동료들은 이 비유를 사용한 적이 없다. 이 비유는 대중 과학 작가들이 일반인들이 모형을 더 쉽게 이해할 수 있도록 만들어낸 것으로 보인다. 이 비유는 톰슨이 양전하를 띤 구를 고체라기보다는 액체에 비유했기 때문에 오해의 소지가 있을 수 있다. 그는 전자가 그 안에서 움직인다고 생각했다.
톰슨의 모형은 원자의 내부 구조를 설명한 최초의 원자 모형이었다. 이전에는 원자가 화학 원소가 결합하는 기본적인 무게 단위였으며, 그 유일한 속성은 원자가와 수소에 대한 상대적 무게였다. 이 모형에는 전하, 자기 모멘트, 부피 또는 절대 질량과 같이 물리학자들과 관련된 속성이 없었으며, 이 때문에 일부 물리학자들은 원자가 실제로 존재하는지조차 의심했다.
톰슨은 원자 내 전자의 양, 배열 및 운동이 방출 스펙트럼, 원자가, 반응성 및 이온화와 같은 물리적, 화학적 특성을 설명할 수 있다고 가설을 세웠다. 그는 올바른 길을 가고 있었지만, 그의 접근 방식은 고전역학에 기반을 두고 있었고, 양자화된 에너지를 통합할 통찰력이 없었다.
19세기 내내 화학 및 통계역학의 증거가 축적되어 물질이 원자로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 원자의 구조에 대한 논의가 있었고, 세기말에는 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨이 1867년에 제안한 원자의 소용돌이 이론이 주요 모형이었다. 1890년까지 J.J. 톰슨은 "성운 원자" 가설이라고 불리는 자신만의 버전을 가지고 있었는데, 이 가설에 따르면 원자는 비물질적인 소용돌이로 구성되어 있으며 소용돌이의 배열과 화학 원소들 사이에서 발견되는 주기적인 규칙성 사이에 유사성을 제시했다.
톰슨이 1897년에 전자를 발견하면서 그의 견해가 바뀌었다. 톰슨은 이들을 "코퍼스클(corpuscles)"(입자)이라고 불렀지만, 그들은 1891년에 G. J. 스토니가 "전기의 기본 단위량"을 위해 만들어낸 이름인 "전자"로 더 일반적으로 불렸다. 그러나 1899년 후반까지도 아원자 입자를 믿는 과학자는 거의 없었다.
19세기에 또 다른 중요한 과학적 주제는 방사능의 발견과 연구였다. 톰슨은 음극선을 연구하여 전자를 발견했고, 1900년 앙리 베크렐은 우라늄에서 나오는 방사선, 현재 베타 입자라고 불리는 것이 음극선과 동일한 전하/질량 비를 가진다는 것을 밝혀냈다. 이 베타 입자들은 고속으로 이동하는 전자라고 여겨졌다. 이 입자들은 톰슨이 원자 이론의 증거를 찾기 위해 원자를 탐색하는 데 사용되었다. 이 원자 모형 시대에 중요한 다른 형태의 방사선은 알파 입자였다. 베타 입자보다 무겁고 느린 이들은 러더퍼드가 톰슨 모형에 반하는 증거를 찾는 데 사용된 핵심 도구였다.
새롭게 등장하는 원자론, 전자, 방사선 외에도 역사상 마지막 요소는 19세기 후반에 발표된 원자 스펙트럼에 대한 수많은 연구였다. 소용돌이 모형의 매력 중 하나는 전자기 복사에 대한 진동 반응으로서 스펙트럼 데이터를 설명하는 데 가능한 역할이었다. 톰슨의 모형도, 그 후속인 러더퍼드의 모형도 원자 스펙트럼을 이해하는 데 진전을 이루지 못했다. 이는 닐스 보어가 최초의 양자 기반 원자 모형을 만들 때까지 기다려야 했다.
톰슨의 모형은 원자에 특정한 내부 구조를 부여한 최초의 모형이었다. 비록 그의 초기 설명에는 수학 공식이 포함되어 있지 않았지만.
1897년부터 1913년까지 톰슨은 원자에 대한 일련의 점점 더 상세한 다전자 모형을 제안했다. 그의 첫 버전들은 1906년 논문과 후속 요약에서 정성적인 내용을 정점으로 삼았다. 톰슨의 모형은 초기 발표 과정에서 변화하여, 정적인 구조라기보다는 양전하의 밀집된 장에서 전자가 회전하는 훨씬 더 이동성이 있는 모형이 되었다. 톰슨은 여러 원소에 대해 실험적으로 알려진 주요 스펙트럼선 중 일부를 설명하기 위해 자신의 모형을 재구성하려 시도했지만 실패했다.
1897년 원자 내부의 미립자.
음극선이라는 제목의 논문에서 톰슨은 음극선이 빛이 아니라 자신이 코퍼스클이라고 부르는 음전하를 띤 입자로 이루어져 있음을 증명했다. 그는 음극선이 전기장과 자기장에 의해 휘어질 수 있다는 것을 관찰했는데, 이는 빛에서는 일어나지 않는 현상이었다. 이 긴 논문의 끝 부분 몇 단락에서 톰슨은 원자가 이 코퍼스클로 구성될 가능성에 대해 논의하며 이를 원초 원자라고 불렀다. 톰슨은 음극 주변의 강한 전기장이 주변 기체 분자를 구성 코퍼스클로 분리시켜 음극선을 생성한다고 믿었다. 톰슨은 이로써 원자가 분할될 수 있다는 증거를 제시했지만, 이 시점에서 그 구조를 설명하려 시도하지는 않았다.
톰슨은 원자가 분할될 수 있다고 제안한 최초의 과학자가 아니라는 점을 언급하며, 1815년에 여러 원소의 원자량이 수소 원자량의 배수임을 발견하고 모든 원자가 수소 원자가 융합되어 만들어졌다고 가설을 세운 윌리엄 프라우트를 언급했다. 프라우트의 가설은 1830년대에 일부 원소가 정수가 아닌 원자량을 가지는 것으로 밝혀지면서 화학자들에게 기각되었다. 예를 들어, 염소는 약 35.45의 원자량을 가진다. 그러나 이 아이디어는 과학자들의 흥미를 계속 끌었다. 이러한 불일치는 1912년 동위 원소의 발견으로 결국 설명되었다.
톰슨의 논문이 발표된 지 몇 달 후, 조지 프랜시스 피츠제럴드는 톰슨이 음극선에서 확인하고 원자의 일부로 제안한 코퍼스클이 물리학자 조지프 라모어와 헨드릭 로런츠가 설명한 "자유 전자"라고 제안했다. 톰슨은 이 용어를 채택하지 않았지만, 이 연결은 다른 과학자들에게 음극선이 입자라는 것을 확신시켰고, 이는 아원자 입자를 기반으로 한 원자 모형의 궁극적인 수용에 중요한 단계였다.
1899년 톰슨은 금속에 자외선이 닿았을 때 생성되는 음전기(현재 광전 효과로 알려짐)가 음극선과 동일한 질량 대 전하 비를 가진다는 것을 보여주는 논문에서 자신의 원자 모형을 다시 강조했다. 그런 다음 그는 이전에 이온의 전하를 결정하는 데 사용했던 방법을 자외선으로 생성된 음전하 입자에 적용했다. 그는 전자의 질량이 수소 이온의 0.0014배(분수로 )라고 추정했다. 이 논문의 결론에서 그는 다음과 같이 썼다.
1904년 원자의 역학적 모형.
톰슨은 1904년 논문 &lt;원자의 구조에 대하여&gt;에서 원자에 대한 첫 상세한 설명을 제공했다.
톰슨은 자신의 모형에 대한 짧은 설명으로 시작한다.
... 원소의 원자는 균일한 양전기의 구 안에 갇힌 다수의 음전하를 띤 미립자로 구성된다 ...
주로 전자에 초점을 맞춘 톰슨은 1년 전 켈빈의 원자 모형에서 제안된 양전하 구를 채택했다.
그는 이어서 그러한 시스템에 대한 상세한 역학적 분석을 수행하며, 전자들을 원형 고리 주위에 균일하게 분포시켰다. 양전하의 인력은 전자들의 상호 반발력에 의해 균형을 이룬다. 그의 분석은 안정성에 초점을 맞추며, 위치의 작은 변화가 복원력에 의해 상쇄되는 경우를 찾았다.
안정성에 대한 그의 많은 공식들을 논의한 후, 그는 안정적인 구성의 다양한 동심원 고리에 있는 전자들의 수에서 나타나는 패턴들을 분석하기 시작했다. 톰슨은 이러한 규칙적인 패턴들이 주기율표의 구조 뒤에 있는 화학의 주기율과 유사하다고 주장했다. 아원자 입자에 기반한 모형이 화학적 경향을 설명할 수 있다는 이 개념은 톰슨의 모형에 대한 관심을 불러일으켰고, 톰슨의 전자 배치 세부 사항이 부정확한 것으로 밝혀졌음에도 불구하고 미래의 작업에 영향을 미쳤다.
톰슨은 이 시점에서 원자의 모든 질량이 전자에 의해 운반된다고 믿었다. 이는 작은 원자조차도 수천 개의 전자를 포함해야 하며, 그들을 감싸는 양전하에는 질량이 없다는 것을 의미한다.
1905년 전자 배열에 대한 강연.
1905년 영국 왕립 연구소에서 행한 강연에서 톰슨은 양전하 구 내부의 수많은 전자의 움직임을 계산하는 것이 너무 어려워서 실용적인 실험을 제안했다. 이 실험은 자화된 핀을 코르크 원반에 박고 물이 담긴 대야에 띄우는 것이었다. 핀들은 서로 반발하도록 배열되었다. 대야 중심 위에는 핀들을 끌어당기는 전자석이 매달려 있었다. 핀들이 취한 평형 배열은 톰슨에게 원자 내 전자들이 어떤 배열을 취할 수 있는지 알려주었다.
예를 들어, 그는 다섯 개의 핀은 중심 주위에 안정적인 오각형을 형성하지만, 여섯 개의 핀은 안정적인 육각형을 형성할 수 없다는 것을 관찰했다. 대신, 한 핀이 중심으로 이동하고 나머지 다섯 개의 핀이 중심 핀 주위에 오각형을 형성했으며, 이 배열이 안정적이었다. 핀을 더 추가할수록, 그들은 중심 주위에 동심원 고리를 형성했다.
이 실험은 3차원 대신 2차원에서 작동했지만, 톰슨은 원자 내 전자들이 동심원 껍질에 배열되며, 이 껍질 내에서 움직일 수 있지만, 원자에 전자가 추가되거나 제거될 때를 제외하고는 한 껍질에서 다른 껍질로 이동하지 않는다고 추론했다.
1906년 원자당 전자의 수 추정.
1906년 이전 톰슨은 원자량이 전자의 질량(그는 계속해서 "코퍼스클"이라고 불렀다) 때문이라고 생각했다. 그 자신의 전자 질량 추정치에 따르면, 원자의 질량을 설명하기 위해서는 원자에 수만 개의 전자가 필요할 것이었다. 1906년 그는 X선 산란, 베타선 흡수, 또는 기체의 광학적 특성이라는 세 가지 다른 방법을 사용하여 "코퍼스클의 수가 원자량과 크게 다르지 않다"고 추정했다. 이는 전자의 수를 수십 개 또는 많아야 수백 개로 줄였고, 이는 다시 톰슨 모형의 양전하 구가 원자 질량의 대부분을 포함하고 있음을 의미했다. 이것은 톰슨의 1904년 기계적 안정성 연구와 주기율표와의 비교가 더 이상 유효하지 않다는 것을 의미했다. 또한, 러더퍼드의 원자 이론에 대한 다음 진전에 매우 중요한 알파 입자는 더 이상 수천 개의 전자를 포함하는 원자로 간주되지 않을 것이었다.
1907년 톰슨은 &lt;물질의 미립자 이론&gt;을 발표하여 원자 구조에 대한 자신의 생각을 검토하고 추가 연구 방향을 제시했다.
6장에서는 물 속에서 자화된 핀을 사용한 자신의 실험을 더욱 상세히 설명하며 확장된 표를 제공했다. 예를 들어, 59개의 핀이 물웅덩이에 놓이면, 그들은 20-16-13-8-2 순서(가장 바깥쪽에서 가장 안쪽으로)의 동심원 고리에 배열될 것이다.
7장에서 톰슨은 원자 내 전자의 수에 대한 1906년 결과를 요약했다. 그는 한 가지 중요한 수정을 포함했는데, 베타 입자 분석을 아우구스트 베커의 음극선 실험을 기반으로 한 것으로 대체하여 문제에 대한 다른 접근 방식과 더 잘 일치하는 결과를 얻었다. 이 분야의 다른 과학자들의 실험은 원자가 톰슨이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 적은 수의 전자를 포함한다는 것을 보여주었다. 톰슨은 이제 원자 내 전자의 수가 원자량의 작은 배수라고 믿었다. 즉, "어떤 원소의 원자 내 미립자의 수는 원소의 원자량에 비례하며, 원자량의 배수이지만 큰 배수는 아니다." 이것은 원자 질량의 거의 대부분이 양전하 구(그것이 무엇으로 만들어졌든)에 의해 운반되어야 한다는 것을 의미했다.
톰슨은 이 책에서 수소 원자가 전자보다 1,700배 무겁다고 추정했다(현재 측정치는 1,837배이다). 톰슨은 아직 수소 이온보다 작은 양전하 입자를 발견한 과학자가 없다고 언급했다. 그는 또한 원자의 양전하가 전자의 음전하와 동일한 기본 양전하 단위의 배수라고 썼다. 톰슨은 기본 양전하 단위가 수소 이온의 질량과 같다는 결론으로 성급하게 점프하기를 거부하며, 과학자들이 먼저 원자가 몇 개의 전자를 포함하는지 알아야 한다고 주장했다. 그가 아는 한, 수소 이온은 여전히 몇 개의 전자, 아마도 두 개의 전자와 세 개의 양전하 단위를 포함할 수 있었다.
1910년 다중 산란.
1906년 톰슨이 겪었던 베타 산란의 어려움은 그가 이 주제에 다시 관심을 갖게 했다. 그는 J. 아널드 크라우더에게 얇은 박막을 통한 베타 산란 실험을 권장했고, 1910년 톰슨은 베타 산란에 대한 새로운 이론을 발표했다. 이 논문의 두 가지 혁신은 원자의 양전하 구로부터의 산란 도입과 다중 또는 복합 산란이 최종 결과에 중요했다는 분석이었다. 이 이론과 크라우더의 실험 결과는 러더퍼드의 이론과 가이거와 마즈든의 알파 입자 새 실험에 의해 맞서게 될 것이었다.