인간에 대한 예의 (항금리 문학 창간호)

전기, 전자공학적인 측면에서 소재는 전기가 흐르지 않는 절연체, 잘 흐르는 도체, 그리고 절연체와 도체의 중간에 해당하는 반도체로 분류할 수 있습니다. 재료적인 면, 특히 원자 결합 측면에서 분류한 세라믹, 금속, 그리고 고분자에서 주로 절연체에는 세라믹과 고분자, 도체에는 금속들이 해당이 되죠. 즉, 원자들간의 계약 결합인 이온 결합이나 공유 결합으로 자유 전자들의 생성이 어려우면 절연체, 금속 결합처럼 원자들 각각에 계약 파트너가 따로 정해지지 않은 상태이면 자유 전자들의 생성이 활발해져서 도체가 되죠. 반도체는 대부분 절연체에 해당하는 세라믹이나 고분자 계열의 소재에 자유 전자나 정공들을 공급할 수 있는 불순물들을 첨가하여 만들어집니다. 불순물을 첨가하는 정도에 따라 절연체 쪽이나 도체 쪽으로 가깝..

이온 결합, 공유 결합, 그리고 금속 결합은 강한 결합입니다. 이와 함께 약한 결합이 있죠. 말 그대로 결합 에너지가 약해 결합이 쉽게 끊어지는 결합입니다. 약한 결합에서 대표적인 원인으로 반 데르 발스 힘(van der Waals force)이 있습니다. 반 데르 발스 힘은 분자간, 혹은 분자 내에서 영역들간의 인력이나 척력을 말합니다. 일례로 이온이 아닌 중성의 분자에서 전자의 불균형 등으로 순간적인 쌍극자가 생성되면 이로 인하여 이웃하는 분자도 일시적으로 분극이 일어나서 유발 쌍극자(induced dipole)가 되며, 따라서 두 쌍극자 간에는 인력이나 척력이 발생합니다. 이는 네덜란드의 과학자, 요하너스 디데릭 반 데르 발스(Johannes Diderik van der Waals)로부터 명명되었죠..

금속 결합은 금속 양이온들과 그 사이로 골고루 퍼져있는 전자들(전자의 바다) 사이의 전기적인 인력으로 이루어진 결합입니다. 즉, 금속 원자의 최외각 전자가 비교적 쉽게 자유 전자가 되면서 금속 양이온들이 만들어지죠. 이는 이온 결합이나 공유 결합과 다소 유사한 점도 있지만 전자들이 특정 이온이나 원자에 속박되어있지 않다는 점에서 큰 차이를 보입니다. 따라서 전기 전도도가 크고, 이온이나 원자들이 고정된 파트너가 없으므로 변형이 비교적 용이하게 되죠. 양이온들과 자유 전자들은 서로가 파트너를 바꾸어가며 적당히 끌어당기고 있을 뿐이므로 순수 금속의 경우에는 반응성이 매우 큽니다. 그리고 금속의 표면은 이미 대기 중에 있는 기체들, 산소 등과 반응하여 얇은 산화막이 얇게 코딩된 경우가 대부분이죠. 금속 원자들..

공유결합(共有結合, covalent bond)은 주로 비금속 원소들간의 결합이며, 안정된 전자 배열(s^2p^6)을 위해 원자들이 전자를 공유, 즉 함께 소유하고 있습니다. 공유 결합으로 이루어진 분자는 원자핵과 전자쌍 사이의 인력, 즉, 양전하를 띤 원자핵과 원자들의 공유 전자들 사이의 강한 쿨롱 인력, 그리고 원자간의 반발력에 의해 안정화되고 있죠. 공유 결합이 이루어지면 원자들은 일반 궤도와 모양이 다른 하이브리드 궤도에서 전자들을 공유하게 됩니다. 이온 결합의 경우 전기 음성도, 즉 전자를 받아들이는 정도의 차이와 전자에 대한 인력의 차이로 전하들이 분리되나 공유 결합에서는 전하가 분리되지 않거나(무극성 공유 결합), 분리가 되더라도 적은 정도로만 분리되어 있어(극성 공유 결합) 전자의 쏠림 현상..

이온 결합은 원자가 전자(들)의 주고받음을 통하여 이온이 만들어지고 이온들 간의 정전기 인력을 통하여 이루어집니다. 주로 금속과 비금속 간의 결합이죠. 즉, 1족과 2족 등 주기율표의 왼쪽에 위치한 원소들은 전자수가 적어 이온화 에너지가 작기 때문에 쉽게 전자를 잃어버리고 양이온이 됩니다. 반면에 주기율표 오른쪽에 위치한 15족에서 17족 사이의 원소들은 큰 이온화 에너지로 전자를 쉽게 얻어 음이온이 되죠. 이러한 양이온과 음이온이 정전기적인 인력으로 결합하여 이온 결합 물질을 형성하며, 주로 단결정을 이루게 됩니다. 이온 결합에서 두 이온들 간의 인력은 쿨롱의 법칙을 따릅니다. 즉, 두 하전 입자들 간에 작용하는 힘은 두 전하의 곱에 비례하고(전하의 부호가 다르면 '-'로 표기, 인력) 전하 간의 거리..

공기 속에는 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소와 같은 물질들이 함유되어 있죠. 질소와 산소는 각각 2개의 원자가 결합하여 질소 분자(N2)와 산소 분자(O2)를 만들고, 탄소 원자 1개와 산소 원자 2개가 결합하여 이산화탄소 분자(CO2)를 만듭니다. 그러나 아르곤(Ar)은 원자들이 서로 결합하지 않고 아르곤 원자 1개로 존재하게 되죠. 탄소, 질소, 산소와 같은 원자들이 다른 원자와 결합하여 분자를 이루는 것과는 달리, 아르곤은 원자 1개로 존재하는 까닭은 무엇일까요? 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 18족 원소들은 다른 원소와 결합하지 않고, 1개의 원자로 존재합니다. 물론 극히 희귀한 예외는 있습니다마는. 원소의 원자 모형에서 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자들을 살펴보면 헬륨은 2개이고, 네온과 아르..

자연과 우주의 모든 것들은 어떻게 만들어졌을까? 신화나 전설, 종교, 그리고 신의 능력일까? 과학의 영역에서는 시간과 공간, 그리고 공간 내의 모든 물질들은 우주의 탄생과 함께 시작된 것으로 보고 있습니다. 즉, 초고밀도, 초고온 상태의 어느 시점에서 팽창이 일어나 우주가 탄생하고, 이로부터 우주를 구성하는 물질이 만들어졌다는 '빅뱅(대폭발) 우주론'에 무게를 두고 있죠. 즉, 초기의 우주는 밀도와 온도가 매우 높아서 여러 힘과 빛 마저도 모두 뭉친 상태로 존재하였고, 이후 찰나의 급격한 팽창이 일어나고, 이 과정에서 우주가 냉각되면서 물질의 이루는 기본 입자들, 쿼크, 양성자, 중성자, 그리고 전자들이 만들어지죠. 이후 온도가 내려가는 과정을 통하여, 수소, 헬륨 원소들이 먼저 만들어집니다. 우주에는 ..

원자 안에서 전자들이 어떻게 배열되고 있는지를 살펴보죠. 일단, 원자는 핵과 전자로 구분되며, 핵 안에는 양성자와 중성자가 있습니다. 그리고 원자의 질량 대부분은 핵에서 결정이 되죠. 반면에 전자는 양성자나 중성자 질량의 약 2,000분지 1 정도의 질량에 불과하나, 대신 핵에서 가장 멀리 있는 전자를 통해 원자의 크기가 결정됩니다. 원자 내에서 전자들의 배열로 들어가기 이전에 기본이 되는 몇 개 원리를 알아보겠습니다. 먼저, 하이젠베르크의 불확정성 원리입니다. 이는 위치와 운동량에 대한 불확정성 원리이며, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻합니다. 즉, 위치 측정의 정확도가 커질수록 운동량의 불확정도도 커지게 되고 반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 불확정도는 커지게..

원자(原子, atom)는 화학 반응의 기본 단위로, 화학 반응만으로는 더 나눌 수 없는 물질의 기본 단위입니다. 현대 물리학에서 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 원자핵은 다시 중성자와 양성자로 구성이 되죠. 이들은 핵 반응을 통하여 더 잘게 나누어지기도 합니다. 원자들의 화학적 결합을 통하여 분자가 만들어지며, 분자는 물질 고유의 성질을 갖게 되는 가장 작은 입자를 일컫습니다. 그리고, '원소'라 함은 물질을 이루는 성분의 종류를 의미합니다. 전기적으로 원자는 중성이며, 따라서 전자들의 수와 원자핵 내의 양성자의 수는 정확히 일치하여야 합니다. 다만, 양성자의 수가 중성자의 수가 꼭 같을 필요는 없습니다. 실제로 동위원소라 하여 동일한 원소에서 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자들이 존재..

원자는 어떻게 생겼을까요? 시작은 영국의 물리학자, 존 돌턴(John Dalton, 1766년~1844년, 영국)부터입니다. 그는 모든 물질들은 원자로 구성 되어있다는~ 원자설의 첫 제창자이죠. 원자설에서 그는 몇 가지를 주장하였습니다. 먼저, 같은 원소의 원자는 같은 크기와 질량, 성질을 가지고, 원자는 더 이상 쪼개질 수 없고, 원자는 다른 원자로 바뀔 수 없으며 없어지거나 생겨날 수 없고, 그리고 화학 반응은 원자와 원자의 결합 방법만 바뀌는 것으로, 원자가 다른 원자로 바뀌지는 않으며, 따라서 질량이 보존된다고. 그러나 동위 원소의 경우, 성질은 같으나 질량은 다르죠. 원자는 양성자, 중성자 등과 같은 더 작은 입자들로. 쪼개질 수 있고, 또한 원자는 핵분열이나 핵융합을 통하여 다른 원자로 바뀔 ..