이 강의는 원소들이 무엇이고, 어떻게 구분되고, 왜 다른 성질을 가지는지 이해하고자 하는 강의로 총 3편으로 구성된다. 강의 1에서는 원소기호 이해하기, 강의 2는 주기율표 상의 모든 원소의 성질 이해하기, 강의 3은 원소들과의 결합, 즉 분자에 대해 이해하고자 한다.

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1. 화학이 시작하는 곳, 원소, 그럼 관련 물리를 이해해 보자

질문1: 가장 기본적인 입자는 무엇일까?

질문2: 화학에서 가장 중요한 힘은 무엇일까?

질문3: 에너지는 무엇일까? 

질문3: 핵융합과 핵분열이 왜 가능한가?

질문4: 별에서 만들어지는 마지막 원소가 철이라고? 왜?

물질은 계속 조각으로 나눌 수 있을까요? 많은 철학자와 과학자들이 이 질문을 던졌습니다. 결국, 물질을 나누는 데 한계가 있다는 것을 알게 되었습니다. 더 이상 나눌 수 없는 최소 단위가 있다는 것입니다. 그렇다면 우주도 무한대의 크기가 아니라, 어떤 한정된 크기를 가졌을 것이라고 생각할 수 있을 것입니다.

현재 물리학이 밝혀낸 우주의 대부분 물질의 최소 단위 중 하나는 쿼크입니다. 쿼크는 우주를 이루는 가장 무거운 입자 양성자와 중성자를 구성하는 입자입니다.

• 양성자: 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크로 이루어져 있습니다. (u u d)
• 중성자: 두 개의 다운 쿼크와 한 개의 업 쿼크로 이루어져 있습니다. (u d d)

또한, 전자는 쿼크로 이루어져 있지 않고, 그 자체가 가장 기본적인 입자입니다. 전자는 렙톤이라는 종류에 속합니다. 그리고 빛은 다른 기본 입자인 광자로 구성되어 있습니다. 광자는 게이지 보존이라는 그룹에 속합니다.

정리하면, 우주상의 대부분의 물질은 양성자, 중성자, 전자, 광자로 이루어져 있으며, 양성자와 중성자는 쿼크로 구성되어 있고, 전자는 그 자체로 기본 입자입니다. 빛 또한 기본 입자인 광자로 이루어져 있습니다. 그래서 전체 기본 입자는 세 종류로 나눌 수 있습니다:

• 쿼크: 양성자와 중성자를 구성합니다. (6개의 쿼크가 있습니다.)
• 렙톤: 전자처럼 쿼크가 아닌 기본 입자입니다. (6개의 렙톤이 있습니다.)
• 게이지 보존: 빛(광자)과 같은 입자로, 다른 입자들 사이의 힘을 전달합니다. (5개의 보존이 있습니다.)

그리고 양성자, 중성자, 전자, 빛 이외에도 다양한 쿼크로 구성된 입자, 렙톤, 게이지 보존들이 더 많지만, 우주에서  극히 일부이며, 수명도 너무 짧습니다. 이 이상의 내용은 고등학교 과정을 넘어가니 생략하겠습니다. 단지 모든 물질을 설명하는 표준모델이라는 이론이 있다는 것만 기억하면 됩니다. 표준모델로 설명되는 가장 기본적인 입자는 모두 17개이고, 우리 우주를 이루는 대부분의 기본 입자는 업쿼크, 다운쿼크, 전자, 광자 4개입니다. 이렇게 쿼크, 렙톤, 게이지 보존이 우주의 모든 물질과 힘을 설명하는 데 사용됩니다.

2. 원자와 입자

화학의 기초는 물질의 최소 단위가 원소가 아니라 양성자, 중성자, 전자, 광자라는 점에서 시작합니다. 화학에서는 다루지 않는 우주의 가장 근본적인 힘은 네가지가 있으며, 화학에서는 전자기력(전자기 상호작용)만 중요합니다. 하지만 기왕 상호작용에 대해서 얘기했으니, 어떤 상호작용이 있는지 알아봅시다.

• 강한 상호작용:
  • 강한 상호작용은 쿼크를 결합시키고, 양성자와 중성자를 묶어 원자핵을 만드는 힘입니다.
  • 쿼크들이 강한 상호작용으로 결합하여 양성자와 중성자가 만들어집니다.
• 전자기 상호작용:
  • 전자기 상호작용은 양성자의 +전하와 전자의 -전하 사이에 작용하는 힘입니다.
  • 전자기 상호작용은 원자 내부에서 전자들이 원자핵 주위를 돌게 하는 힘으로, 화학 반응에서 매우 중요합니다.
  • 모든 화학 반응은 전자기 상호작용에 의해 일어납니다. 즉, 원자 간의 결합과 분자는 전자기 상호작용에 의해 형성되고 변화합니다.
• 중력 상호작용:
  • 중력 상호작용은 질량이 있는 물질끼리 잡아당기는 힘입니다.
  • 우리가 일상에서 느끼는 힘으로, 물체가 지구에 떨어지는 이유도 중력 상호작용 때문입니다.
• 약한 상호작용:
  • 약한 상호작용은 방사성 붕괴와 같은 일부 핵 반응에서 중요한 역할을 합니다.

모든 화학 반응은 오직 전자기 상호작용의 작용으로 설명됩니다. 전자기 상호작용은 화학 결합에서 원자들이 어떻게 서로 결합하는지를 설명하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 전자기 상호작용은 전자들이 양성자의 +전하에 의해 원자핵 주변을 돌게 하고, 원자들이 결합하여 분자를 형성할 때 중요한 역할을 합니다.

3. 동위원소와 원자량

그러나 화학에서 나오는 모든 원소를 설명할때 원자량이라는 단어가 나옵니다. 많이 어려운 내용이지만, 이것만 이해하면, 별의 탄생부터, 실제 주기율표 상의 모든 원소들이 어떤 과정으로 만들어졌는지 이해할 수 있습니다. 그래서 그냥 넘어가지 맙시다. 인사이트(통찰력)을 주는 강의이니까요. 

그러다 보면, 강력을 설명하지 않을 수 없습니다. 원소는 작은 핵과 그 주변에 큰 공간을 차지하는 곳 전자가 있는 영역으로 나누어집니다. 핵은 수소의 경우 하나의 양성자로 부터, 무거운 원소로 갈수록 많은 양성자와 중성자로 이루어져 있고, 그 주변의 큰 공간을 차지하는 전자는 양성자 수 만큼 있습니다. 그러면 쿼크들이 서로 결합하는 힘이 강력이라고 했는데, 이렇게 핵속에서 양성자들과 중성자들이 같이 뭉쳐 있도록, 그래서 입자가속기로 혹은 아주 강한 힘을 작용시키지 않으면 분리시키거나, 합칠 수 없도록 하는게 또한 강력입니다.

다음의 기본적인 사실을 이해하고 갑시다. 

• 양성자의 질량과 중성자의 질량은 다릅니다. 중성자가 약간 무겁습니다. 그런데 핵을 이룰때 핵의 질량은 양성자, 중성자들의 모두 질량을 합친 것 보다 실제 질량은 적습니다. 나중에 질량은 바로 에너지라는 걸 바로 배울텐데, 질량이 적다는 것은 바로 핵을 이루었을떄 더 에너지가 적어진다는 것이고, 모두 양성자, 중성자 각각으로 모두 분리시키기 위해서 에너지가 필요하다는 것이므로, 큰 에너지 (입자가속기)가 없는 한, 핵이 분리되지 않는다는 의미 입니다. 바로 핵을 이루었을때 더 안정하다는 뜻입니다.
• 화학적인 성질은 모두 전자기력으로 설명된다고 했죠? 그래서 핵 속에 양성자수가 바로 원소의 성질을 결정합니다. 그러나 핵속에 많은 양성자가 있으려면, 중성자가 필요하답니다. 그러나 같은 양성자에 중성자수가 다를 수가 있어요. 이런 원소들을 동위원소라고 합니다. 가장 가벼운 수소에서, 양성자 하나만 (H-1), 양성자 하나 중성자 하나 (H-2), 양성자 하나 중성자 둘 (H-3) 와 같이 같은 성질의 동위원소 수소들이 있습니다. 다른 원소들도 다 마찬가지입니다.

양성자와 중성자의 질량은 다르며, 핵의 질량은 단순히 그 합이 아닙니다. 동위원소의 경우, 중성자수가 다르니 같은 원소라도 질량이 다르겠죠? 예를 들어, 탄소-12와 탄소-14는 같은 원소지만 질량이 다릅니다.

• 동위원소: 동일한 원소지만 중성자 수가 다릅니다.
• 원자량: 원소의 원자량은 지구에서 존재하는 동위원소들의 자연존재 비율을 고려한 평균 질량입니다. 그래서 각 동위원소별 원자량을 알 필요가 있는 경우, 원소의 원자량을 그대로 사용해선 안됩니다.

원자량 (Atomic Mass Unit, amu 또는 u)

• 각 원소의 질량은 아주 작기 때문에, 그리고 원소의 성질을 이해하기 위해서 그램단위를 사용하는 것 보다 상대적으로 원소끼리 비교하는게 더 편합니다.
• 원자량의 단위는 보통 원자질량단위 (atomic mass unit, amu) 또는 달튼 (Dalton, Da)으로 표현됩니다.
• 탄소-12 동위원소 (C-12) 기준으로 정의됩니다.
  • 탄소-12의 원자량은 정확히 12로 정의됩니다.
  • 양성자 6개, 중성자 6개, 전자 6개의 질량에 핵결합에 의한 질량 결손까지 고려한 질량을 12u로 정의
  • 즉 실제 탄소-12 동위원소 그 자체의 질량을 12u로 정의합니다.
  • 1 원자질량단위 (1 amu 또는 1 u)는 탄소-12 원자 1개의 질량의 1/12에 해당합니다.

양성자와 중성자의 원자량

• 양성자:
  • 질량: 약 1.007276 u
• 중성자:
  • 질량: 약 1.008665 u

자 그런데 위의 원소 표기에서 왜 12가 아니고, 12.011일까요?

• 위의 6의 숫자는 원소번호로 양성자수가 6이라는 의미입니다.
• C는 원소기호, Carbon는 영어명
• 아래 12.011 는 다른 탄소 동위원소까지 고려한 원자량입니다. 당연히 C-12의 원자량은 정확히 12입니다. 

이러한 정의 덕분에 원자 및 분자의 질량을 비교적 쉽게 비교할 수 있습니다.

질량수(Mass Number)란?

질량수(Mass Number)란 원자핵을 구성하는 양성자(Proton)와 중성자(Neutron)의 총수를 말합니다. 질량수는 원자의 중요한 특성 중 하나로, 원소의 동위원소를 구분하는 데 사용됩니다.

질량수의 정의와 계산

• 질량수 (A): 원자핵 내의 양성자 수 (Z)와 중성자 수 (N)의 합
  • A = Z + N
  • 여기서 Z는 원자번호(양성자 수), N은 중성자 수입니다.

예시

• 탄소-12 (C-12):
  • 양성자 수 (Z): 6
  • 중성자 수 (N): 6
  • 질량수 (A): 6 (양성자) + 6 (중성자) = 12

• 우라늄-238 (U-238):
  • 양성자 수 (Z): 92
    • 중성자 수 (N): 146
    • 질량수 (A): 92 (양성자) + 146 (중성자) = 238

질량수는 원소의 동위원소를 구분하는 데 사용됩니다. 같은 원소라도 중성자 수가 다르면 질량수가 달라집니다. 예를 들어, 탄소-12와 탄소-14는 같은 원소(탄소)이지만 중성자 수가 다르기 때문에 질량수도 다릅니다.

원자번호와 질량수의 차이

• 원자번호 (Z): 원자핵에 있는 양성자의 수. 원소의 화학적 성질을 결정합니다.
• 질량수 (A): 원자핵에 있는 양성자와 중성자의 총수. 원소의 동위원소를 구분합니다.

이러한 개념을 통해 원자핵의 구조와 원소의 특성을 더 잘 이해할 수 있습니다.

4. 질량 변화와 에너지 방출

질문: 핵융합과 핵분열이 왜 가능한가?

E = mc²의 법칙에 따라 질량이 변화할 때 에너지가 방출됩니다. 핵융합과 핵분열은 이 원리를 통해 이해할 수 있습니다.

• 핵융합: 두 개의 가벼운 원자가 결합하여 무거운 원자를 형성하며, 질량이 줄어듭니다.
• 핵분열: 무거운 원자가 두 개의 가벼운 원자로 분리되며, 질량이 줄어듭니다. 예: 우라늄의 반감기를 통해 핵분열을 설명할 수 있습니다.

E = mc²의 이해

E = mc² 식은 아인슈타인이 만든 유명한 방정식으로, 에너지(E), 질량(m), 그리고 빛의 속도(c) 사이의 관계를 설명합니다. 중학생이 이해할 수 있도록 쉽게 설명해 볼게요.

기본 개념

• 에너지 (E): 일을 할 수 있는 능력입니다. 예를 들어, 움직이는 자동차, 빛, 전기 등 모두 에너지를 가지고 있습니다.
• 질량 (m): 물체가 가지고 있는 물질의 양입니다. 예를 들어, 우리의 몸무게, 책의 무게, 공의 무게 등 모두 질량과 관련이 있습니다.
• 빛의 속도 (c): 빛이 이동하는 속도입니다. 매우 빠른 속도로, 약 299,792,458 미터/초 (초당 약 3억 미터)입니다.

E = mc²의 의미

• E = mc²는 질량(m)이 에너지(E)로 변할 수 있고, 그 반대도 가능하다는 것을 말합니다.
• 이 방정식에서 c는 빛의 속도이기 때문에, 매우 큰 숫자입니다. 따라서, 작은 질량(m)이라도 아주 큰 에너지(E)로 변할 수 있습니다.

예시

• 핵폭탄: 질량이 작은 원자핵이 분열하거나 결합할 때, 많은 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 E = mc² 식에 의해 설명됩니다.
• 태양의 에너지: 태양은 핵융합 반응을 통해 수소 원자들이 헬륨으로 변하면서 에너지를 방출합니다. 이 에너지도 E = mc² 식에 의해 설명됩니다.

쉽게 이해하기

1. 작은 질량이 큰 에너지로:
   • 생각해보세요. 아주 작은 양의 질량이 있지만, 빛의 속도(c)가 매우 크기 때문에, 이 작은 질량이 엄청난 에너지로 변할 수 있습니다.
   • 예를 들어, 손톱만한 크기의 질량이 모두 에너지로 변하면 엄청난 폭발을 일으킬 수 있습니다.

2. 에너지와 질량은 같은 것:
   • 이 방정식은 에너지와 질량이 본질적으로 같은 것이라는 것을 알려줍니다. 우리가 에너지를 얻으면, 질량이 증가하는 것이고, 반대로 질량이 줄어들면 에너지가 방출됩니다.

중간 결론

• E = mc²는 질량과 에너지가 서로 변환될 수 있음을 알려주는 방정식입니다.
• 작은 질량도 매우 큰 에너지로 변할 수 있으며, 이는 우리가 주변에서 경험하는 많은 현상들을 설명해줍니다.

이 방정식을 통해 우리가 이해할 수 있는 것은, 세상의 모든 물질이 에너지와 깊이 연결되어 있다는 것입니다.

이 이제 각 원소들의 동위원소 별 원자량을 알면, 핵분열, 핵융합 그리고 왜 철이 가장 안정한 물질인지, 그리고 별에서, 초신성 폭발에서 무슨 일이 발생했는데 천문학자만큼 이해할 수 있습니다.

그래프와 데이터 테이블

동위원소	양성자 수 (Z)	중성자 수 (N)	원자량 (amu)	질량수 (A)	원자량 / 질량수
수소-1	1	0	1.007825	1	1.007825
수소-2	1	1	2.014102	2	1.007051
헬륨-3	2	1	3.016029	3	1.005343
헬륨-4	2	2	4.002603	4	1.000651
탄소-12	6	6	12.000000	12	1.000000
산소-16	8	8	15.994915	16	0.999682
네온-20	10	10	19.992440	20	0.999622
마그네슘-24	12	12	23.985041	24	0.999377
규소-28	14	14	27.976927	28	0.999176
황-32	16	16	31.972071	32	0.999127
칼슘-40	20	20	39.962591	40	0.999065
철-56	26	30	55.934938	56	0.998838
크립톤-92	36	56	91.926156	92	0.999197
바륨-141	56	85	140.914411	141	0.999393
우라늄-235	92	143	235.043929	235	1.000187
우라늄-238	92	146	238.050788	238	1.000213

이 그래프와 테이블은 각 동위원소의 원자량이 질량수에 비례하는 정도를 시각적으로 보여줍니다. 이를 통해 동위원소 간의 차이를 이해할 수 있습니다.

그래프 설명

위 그래프는 다양한 동위원소의 원자량(Atomic Mass)을 질량수(Mass Number)로 나눈 값을 나타냅니다. 각 동위원소에 대해 원자량을 질량수로 나눈 값을 비교함으로써, 동위원소 간의 차이를 시각적으로 확인할 수 있습니다. 

• X축: 동위원소 이름
• Y축: 원자량을 질량수로 나눈 값

이 그래프를 통해 동위원소의 원자량이 질량수와 어떻게 비례하는지, 그리고 어떤 동위원소가 상대적으로 더 무겁거나 가벼운지를 알 수 있습니다.

설명

• 핵융합 과정: 수소 동위원소들이 헬륨 동위원소로 융합하며, 별의 에너지원이 됩니다.
• 별의 내부에서 진행되는 핵융합: 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 실리콘, 황, 칼슘과 같은 원소들이 점차적으로 융합하여 철을 형성합니다.
• 초신성 폭발: 철보다 무거운 원소들(예: 우라늄, 바륨, 크립톤 등)은 초신성 폭발과 같은 격변적인 사건에서 생성됩니다.
• 핵분열 과정: 우라늄 동위원소가 분열하여 바륨과 크립톤과 같은 더 가벼운 원소들로 분열됩니다.

이 데이터와 그래프는 우주와 별의 형성, 진화, 그리고 초신성 폭발을 통해 원소들이 어떻게 생성되고 분포되는지를 이해하는 데 중요한 자료입니다.

핵융합과 핵분열의 예

핵융합 (Nuclear Fusion)

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 형성하는 과정입니다. 이 과정에서 에너지가 방출됩니다. 태양과 다른 별들에서 발생하는 에너지가 바로 이 핵융합 반응에서 나옵니다.

예시:

• 수소-1과 수소-2의 융합:
  • 수소-1과 수소-2 (중수소)가 융합하여 헬륨-3을 형성할 수 있습니다.
  • 또는 수소-2과 수소-2가 융합하여 헬륨-3와 중성자를 형성할 수 있습니다.

수소 핵융합 반응을 통한 질량결손 계산

가장 간단한 핵융합 반응은 두 개의 중수소 (​H-2) 원자가 융합하여 헬륨-3 (He-3)와 하나의 중성자 (n)를 생성하는 반응입니다: 

• H-2 + H-2 → He-3 +​ n

계산 과정

1. 초기 질량 합산: 두 개의 중수소 원자의 총 질량:2×2.014102 = 4.028204 u
2. 생성된 헬륨-3와 중성자의 질량 합산: 헬륨-3와 중성자의 총 질량 :3.016029 + 1.008665 = 4.024694 u
3. 질량 결손 계산:질량 결손=초기 질량−생성된 질량=4.028204 − 4.024694 = 0.00351 u
4. 즉 질량이 양수가 나옴으로써 질량 결손을 확인했습니다. 이 결손된 질량만큼이 에너지로 변환한 겁니다.

핵분열 (Nuclear Fission)

핵분열은 무거운 원자핵이 두 개 또는 그 이상의 가벼운 원자핵으로 분열되는 과정입니다. 이 과정에서도 많은 에너지가 방출됩니다. 원자력 발전소에서 전력을 생성하는 데 사용되는 과정이 바로 핵분열입니다.

예시:

• 우라늄-235의 분열:
  • 우라늄-235가 중성자와 충돌하면 여러 개의 가벼운 원소(예: 바륨-141과 크립톤-92)로 분열하고, 다수의 중성자가 방출되며 많은 에너지가 발생합니다.

결론적으로, 표에 나타난 동위원소들은 각각의 핵반응(핵융합과 핵분열)에서 어떻게 변환되는지를 이해하는 데 도움이 됩니다. 이들 동위원소 간의 질량과 질량수의 비율을 통해, 어떤 동위원소들이 에너지를 방출하며 변환되는지 알 수 있습니다.

핵반응의 다양한 예

핵반응은 다양한 원자핵에서 일어날 수 있습니다. 수소와 우라늄 외에도 여러 원소에서 핵융합과 핵분열 반응이 가능합니다.

핵융합 (Nuclear Fusion)

핵융합은 주로 가벼운 원자핵에서 일어나지만, 특정 조건에서 더 무거운 원자핵에서도 일어날 수 있습니다. 예를 들어:

• 헬륨 (Helium): 헬륨-3와 헬륨-4는 태양 내부에서 계속해서 융합하여 더 무거운 원소들을 형성합니다.
• 탄소 (Carbon), 질소 (Nitrogen), 산소 (Oxygen): 이 원소들은 별의 중심에서 핵융합 과정을 통해 생성되며, CNO 순환(CNO cycle)이라는 과정에서 에너지를 방출합니다.

핵분열 (Nuclear Fission)

핵분열은 주로 무거운 원자핵에서 일어나지만, 다른 중간 무게의 원소에서도 일어날 수 있습니다. 예를 들어:

• 토륨 (Thorium): 토륨-232는 중성자를 흡수한 후 우라늄-233으로 변환되어 핵분열을 일으킬 수 있습니다.
• 플루토늄 (Plutonium): 플루토늄-239는 중성자와 반응하여 핵분열을 일으키며, 이는 원자력 발전소와 핵무기에서 중요한 역할을 합니다.

중간 영역의 원소에서의 핵반응

중간 무게의 원소에서도 핵반응이 일어날 수 있습니다. 예를 들어:

• 철 (Iron): 철-56은 매우 안정적인 원소로, 더 가벼운 원소들은 융합하여 철을 형성하고, 더 무거운 원소들은 분열하여 철을 형성하려는 경향이 있습니다. 저 그래프상에서, 철이 가장 값이 적습니다. 즉 가장 안정적이다는 의미인데, 왜 안정적이냐면, 철을 다른 원소로 변환하기 위해서는, 질량을 보충해야 하는데, 다른 말로 하면 엄청한 에너지가 필요하다는 뜻이다. 
• 니켈 (Nickel): 철과 유사하게, 니켈-62는 매우 안정적이며, 핵반응을 통해 형성되는 경향이 있습니다.

핵반응의 에너지 방출

핵반응이 일어나기 위해서는 에너지가 필요하며, 반응 후에도 에너지가 방출됩니다. 가벼운 원소들이 융합하여 더 무거운 원소를 형성할 때는 에너지가 방출되고, 무거운 원소들이 분열하여 가벼운 원소를 형성할 때도 에너지가 방출됩니다.

표준모델과 핵반응

표준모델에 따르면, 원소들의 안정성은 원자핵의 결합 에너지에 의해 결정됩니다. 핵융합은 결합 에너지가 낮은 가벼운 원소들이 결합하여 더 안정한 원소를 형성하는 과정이며, 핵분열은 결합 에너지가 높은 무거운 원소들이 분열하여 더 안정한 원소를 형성하는 과정입니다.

결론적으로, 수소와 우라늄 외에도 다양한 원소에서 핵반응이 일어날 수 있습니다. 중간 무게의 원소들도 특정 조건에서 핵반응을 일으킬 수 있으며, 이는 우주와 별의 형성 및 진화 과정에서 중요한 역할을 합니다.