물질을 이루는 기본 입자의 생성
(1) 물질세계의 시작
1) 가모의 빅뱅 우주론
약 138억 년 전의 대폭발(Big Bang)에 의해 시간과 공간이 만들어졌으며, 폭발의 순간 물질을 이루는 가장 기본이 되는 입자들이 만들어지면서 비로소 물질세계가 시작되었다.
2) 빅뱅 우주론: 빅뱅 이후 우주가 시간에 따라 팽창하며 물질과 에너지가 퍼지고, 이후 은하와 별이 만들어지는 모습을 나타낸 모형
(2) 기본 입자의 형성
1) 물질의 기본입자 : 빅뱅 직후 초고온·초고밀도 상태의 우주는 급격한 팽창으로 식어 가면서 물질의 기본이 되는 쿼크와 전자가 만들어졌다.
쿼크 | 빅뱅 직후 빛, 전자 등과 함께 초기 우주에 존재했던 물질의 기본 입자로, 양성자와 중성자를 이루는 쿼크들을 포함하여 모두 6종류가 밝혀졌다.
2)쿼크들이 3개씩 다르게 결합하여 양성자와 중성자라는 입자가 만들어졌다.
3)양성자 1개 = 그 자체로 수소의 원자핵
4) 당시의 우주는 온도가 너무 높았기 때문에 양성자와 중성자는 매우 빠르게 운동하여 서로 결합할 수 없었다.
5) 수소 원자핵 이외의 원자핵이 만들어지지 못한 채 전자와 같은 입자들과 함께 있었다.
우주 탄생 초기의 수소와 헬륨의 생성
(1) 원자를 구성하는 입자들
1)원자= 원자핵+전자, 원자핵= 양성자+ 중성자
2)한 원자 속에 들어 있는 양성자의 개수와 전자의 개수가 같으므로 전기적으로 중성
3)원자핵(nucleus): 원자의 질량의 대부분을 차지하며, 원자핵은 양성자와 중성자가 단단하게 결합되어 있다.
4)양성자(proton): 3개의 쿼크가 결합하여 +1의 전하를 띤다.
중성자의 개수에 따른 수소의 종류 | 보통의 수소는 원자핵에 양성자만 들어 있고 중성자가 들어 있지 않지만, 원자핵에 중성자가 1개 들어 있는 중수소와 중성자가 2개 들어 있는 3중 수소도 존재한다.
전자: 원자핵 주변을 빠르게 운동하고 있으며 (-)전하를 띤다.
(2) 수소와 헬륨의 생성
1)우주 나이 1초가 되기 전에는 양성자와 중성자의 비율이 거의 같았다. 우주의 온도가 낮아지면서 중성자의 일부가 양성자로 점차 바뀌자 양성자와 중성자의 비율이 약 7 : 1로 변하게 된다.
2)우주 나이 약 3분에 이르면 우주의 온도가 약 1억 K이하로 낮아지므로 양성자와 중성자가 단단히 결합할 수 있게 된다.
절대 온도(K) | 영하 273.15 ℃를 기준(0 K)으로 하여, 보통의 섭씨온도와 같은 간격으로 눈금을 정한 온도이다.
그 결과 중수소 원자핵이나 3중 수소 원자핵이 만들어진다.
3)중수소 원자핵과 3중 수소 원자핵이 결합하면서 헬륨 원자핵을 만들게 되었다.
(빅뱅 핵합성)
빅뱅 핵합성 때문에 중성자와 결합하지 못한 양성자의 수가 더 많아지게 된다.
4)헬륨 원자핵이 만들어지는 과정이 끝났을 때 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 개수비는 12 : 1, 질량비는 약 3 : 1이 되었다.
※ 헬륨 원자핵이 만들어지는 동안에도 우주는 팽창하므로 계속하여 온도가 낮아지고, 입자들의 운동 에너지도 작아져 더 이상의 핵합성이 일어나지 않게 된다.
5)우주 나이 약 38만 년이 되었을 때 우주의 온도는 더 낮아져 약 3000 K에 이르게 되고, 이에 따라 전자의 운동 에너지도 작아져 수소 원자핵이나 헬륨 원자핵에 잡혀 수소 원자와 헬륨 원자가 된다.
이때 만들어진 수소와 헬륨 원자는 중력의 영향으로 응축되어 이후 우주의 은하와 별들을 만들게 된다.
스펙트럼을 통해 본 우주의 물질
(1) 우주 스펙트럼 연구
1)가모는 빅뱅 우주론을 통해 수소, 헬륨, 리튬과 같은 가벼운 원소들이 우주 초기의 핵융합으로 생성되었을 것이라고 생각하였다.
2)그의 이러한 예상은 우주 전역에서 들어오는 빛의 스펙트럼을 분석한 실제 관측값과 정확하게 일치하였다.
(2) 여러 가지 스펙트럼 : 빛은 파장에 따라 굴절률이 다르다.
1)빛의 분산: 여러 가지 파장이 섞여 있는 햇빛을 프리즘(분광기)에 통과시키면 각 파장별로 빛이 분리된다.
2)스펙트럼: 빛이 분산되어 생긴 띠이며, 연속 스펙트럼, 선 스펙트럼, 흡수 스펙트럼이 있다.
·연속 스펙트럼: 무지개처럼 넓은 파장에 걸쳐 연속적으로 퍼진 빛의 띠가 나타나는 스펙트럼
예) 햇빛이나 고온의 고체(전구)가 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 연속 스펙트럼이 나타난다.
·선 스펙트럼: 검은 바탕에 밝은 선이 나타나는 스펙트럼
예)가열된 기체 구름이 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 선 스펙트럼이 나타난다.
불꽃 반응을 통해 특유의 불꽃색을 나타내듯이 기체 구름을 이루는 원소도 구성 성분과 온도에 따라 특정한 파장에서 빛을 방출하기 때문이다.
불꽃 반응 | 금속 원소가 포함된 물질에 불으 붙일 때 금속 원소의 종류에 따라 특정한 불꽃색이 나타나는 현상으로, 염화 나트륨이나 질산 나트륨에서는 나트륨의 노란색 불꽃색이, 염화 칼륨이나 질산 칼륨에서는 칼륨의 보라색 불꽃색이 나타난다. 불꽃 반응을 이용하면 물질의 종류가 달라도 물질 속에 공통으로 포함된 금속 원소의 종류를 알아낼 수 있다.
· 흡수 스펙트럼: 연속 스펙트럼에서 검은 선이 나타나는 스펙트럼
(3) 선 스펙트럼이 나타나는 까닭
:하나의 원소로 된 어떤 물질이 빛을 내면 몇 가지 색의 빛만 보이는 선 스펙트럼이 만들어진다. 이는 원자에 포함된 전자가 에너지를 얻거나 잃어 에너지 준위 상태가 변할 때 빛을 내놓기 때문이다.
(4) 에너지 준위와 선 스펙트럼
:원자 속의 전자는 원자핵으로부터 특정한 거리만큼 떨어진 위치에만 존재할 수 있다.
1)에너지 준위: 원자 속 전자들의 위치에 따른 에너지
낮은 에너지 준위에 있는 전자가 높은 에너지 준위로 이동하려면 특정한 색의 빛을 흡수해야 한다.
높은 에너지 준위에 있는 전자가 낮은 에너지 준위로 이동하면 특정한 색의 빛을 방출한다.
전자가 에너지 준위 사이를 이동할 때 흡수 또는 방출하는 빛으로부터 선 스펙트럼을 관찰할 수 있다.
에너지 준위는 각 원자마다 다양하게 나타나므로 원자마다 고유한 선 스펙트럼이 나타난다.
각 원자의 선 스펙트럼 | 원자의 종류에 따라 에너지 준위와 그 간격이 다르기 때문에 각 원자마다 선 스펙트럼이 다르게 나타난다. 그러므로 어떤 물질의 선 스펙트럼을 조사하면 그 물질이 무엇으로 이루어져 있는지 알 수 있다.