[Physics] 원자 와 핵

Nuclide(핵종) $X$ 표기법

$$^A_ZX(N)$$

• $A$: 질량수, mass number
• $Z$: 원자번호, # of proton.
• $N$: # of neutron.

동위원소(isotope) : $Z$가 같으나, $N$이 다름. ** (전자의 수가 같아서 화학적 특성은 거의 같음)
동중원소(isobar) : $A$가 같으나, $Z$,$N$이 다름. *
동중성자원소(isotone) : $N$이 같으나 $Z$가 다름.
핵이성체(isomer) : $A$,$Z$,$N$이 같으나 에너지상태가 다름. (metastable state)

Atom (원자)

물질을 이루는 최소 단위로 자주 사용되며, 하나 하나의 갯수를 중시할 때 원자로 표현됨. (종류를 나타낼 경우, element(원소)가 사용됨.

• 양전하를 가지는 nucleus (=proton+neutron)가 중앙에 위치하고,
  • nucleus(핵)은 nucleon(핵자)들로 구성됨 : nucleon은 proton과 neutron으로 나뉨.
  • nucleon은 quarks로 구성됨.
• electron(전자)이 특정 에너지 준위를 가지는 shell에 위치하여
  • orbit(궤도)라고도 많이 애기하나 2차원이 아닌 3차원의 전자 구름 형태로 보는게 보다 맞아서 shell(껍질)이라는 용어를 사용.
• nucleus(핵)를 돌고 있다.

원자의 특성은 다음과 같음.
1. 매우 작음. (가시광선의 파장보다 작음)
2. 수로 셀 수 있음 (12g Carbon 원소는 약 $6.023\times10^{23}$개의 Carbon atom으로 구성됨.(아보가드로의 수)
3. 끊임없이 움직임 (고체의 Atom들도 진동하고 있음)
4. ageless

원자 내에선 Coulomb힘이 작용. (핵안에선 강력과 약력이...)

Note : Atom

• Nucleus는 원자번호 $Z$에 해당하는 proton을 가지며 (전기적으로) 중성인 원자의 경우, 같은 수의 electron을 가짐.
• 질량수 $A$가 20보다 작은 가벼운 원자의 경우 neutron과 proton의 수가 같을시 안정되며,
  • 그 이상의 무거운 원자의 경우, 양의 전하를 가지는 proton의 수가 증가함에 따라 coulomb력에 따른 척력(서로 밀어내는 힘)이 증가하여,
  • proton(양성자)보다 많은 수의 neutron(중성자)이 있어야 안정함.
  • 이 경우, 중성자와 양성자의 비(ratio) $n/p$가 1.5일 때 핵이 안정한 경향을 보임.
• 원자의 반지름은 전자의 shell 반지름에 의해 결정되며
  • 이는 주양자수에 의해 결정된다.
• 전자의 shell들은 전자가 안정한 상태로 핵주위를 돌 수 있는 궤도로서
  • 핵에 가까운 순서에 따라 $K$, $L$, $M$, $N$ 등으로 불리며
  • 각각의 shell에 해당하는 주양자수 $n$이 1, 2, 3, 4 등으로 증가하고,
  • 각 shell이 포함할 수 있는 전자수는 $2n^2$이다.

Nucleus vs. Atom

	Atom	Nucleus
radius (반지름)	Å (Ångström (=$0.53n^2/Z$), 궤도반지름	fm (femtometer) (=$1.2 A^{1/3}$ fm)
중심	nucleus	-
구성	nucleus,electron	proton, neutron
무게비	100	99.97
작용힘	Coulomb 힘	핵력
방출입자	X-ray	α,β,γ,n,p

Element (원소)

한 종류의 Atom으로 구성되며, 주로 종류(type)을 애기할 때 사용됨.

현재까지 약 115개의 원소가 알려짐 (90개는 자연에 존재, 나머진 불안정하여 심험실 등에서 생성됨)

용어에 측면에서 빈번하게 Atom과 Element는 interchangeably하게 사용됨.

Radioisotope

• 자연계에 쉽게 접할 수 있는 안정동위원소는 Z-N 커브에 위치
• 불안정한 핵은 방사성 붕괴를 통해 안정화 되려고 함.
• 다음과 같은 생체 구성 원자에 tagging되어 방사선영상에 활용됨.
  • C : Carbon
  • H : Hydrogen
  • O : Oxygen
  • N : Nitrogen
  • P : Phosphorus
  • S : Sulfur

방사성동위원소(for 양전자 단층촬영기)를 만들기 위한 주요 핵반응(Nuclear Reaction)