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상대성 이론 Theory of Relativity |
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1. 개요
원소가 무거워질수록 양성자가 많아지며, 전자를 잡아당기는 인력 또한 증가한다. 이러한 상황에서 전자는 궤도를 유지하기 위해 공전 속도[1]를 올리게 되어 점점 광속에 가까워진다. 이렇게 되면 상대성 이론에 의한 효과로 인해 내부 궤도를 도는 전자의 상대론적 운동에너지[2]가 늘어나게 된다. 무거워진 전자는 원자핵에 접근한 상태로 공전하여 원자핵의 전하를 더 많이 가리게 되며, 결국 최외각 전자의 궤도마저 변형시켜 물리적 또는 화학적 성질이 주기율표상의 위치로 추측할 수 있는 것과는 달라진다. 특히 6주기 원소 이상의 원소에서 상대론적 효과가 영향을 미치기 시작한다. 이론적 분석은 수소 원자 모형 참고.2. 영향받는 원소
- 세슘 - 상대론적 효과에 의해 다른 알칼리 금속과는 달리 약간 금빛을 띤다.
- 금 - 일반적인 금속은 은백색이지만[3] , 상대론적 효과로 인해 자외선 대신 파란 가시광선을 흡수할 수 있게 되어 파란색의 보색인 노란색을 띠게 된다.
- 수은 - 아연과 카드뮴 아래에 위치하므로 이 원소는 상온에서 고체[4]여야 하겠으나, 상대론적 효과로 인해 녹는점과 끓는점이 위의 원소보다 낮아지게 되었다.
- 납 - 화학적 성질이 유사한 주석으로도 납 축전지와 같은 배터리를 만들 수 있을 것으로 추측할 수 있으나, 납 축전지가 내는 전압의 상당 부분은 상대론적 효과에 의한 것으로, 주석과 산을 이용한 축전지를 만들기는 어렵다. 또한 납과 주석의 결정 모양이 다른 것도 상대론적 효과에 의한 것이라고 한다.
- 프랑슘 - 주기율표상에서 세슘의 아래에 있음에도 불구하고 세슘보다 약한 반응성을 보인다.
3. 영향을 받을 것으로 예측되는 원소
7주기 후반 이후 원소에서는 상대론적 효과가 더욱 빈번하게 나타날 것으로 예상되고 있다. 참고로 173번 원소[5]부터는 전자의 공전 속도가 광속을 넘어야만 하지만 이는 불가능하므로 정상적인 원소가 되기 어려울 것이라고 한다. 다만 이온 형태로 존재할 가능성은 있다고 한다.- 더브늄 - 탄탈럼 아래에 있지만 이보다는 플루토늄에 가까운 성질을 가질 것으로 예상된다.
- 코페르니슘, 플레로븀 - 수은보다 휘발성이 높은 액체 금속일 것으로 예상된다. 또한 비활성 기체와 유사한 성질을 가질 것으로 보인다.
- 니호늄 - 준금속 라인 밖에 위치한 원소임에도 불구하고 준금속일 가능성이 있다.
- 테네신 - 타 할로젠 원소들과는 다른 특성을 보일 것으로 예측된다.
- 오가네손 - 일반적인 비활성 기체가 아닌 금속성 고체인 준금속 또는 금속일 것으로 예측되고 있다. 이 원소의 전자의 공전 속도는 무려 광속의 86%가 될 것으로 보인다.
- 우누넨늄, 운비닐륨 - 각각 알칼리 금속, 알칼리 토금속에 해당하지만 위에 있는 원소들보다 오히려 낮은 반응성을 가질 것으로 예상되고 있다.
[1]
전자의 궤도나 공전 속도 그리고 광속과 가까워진다 등등은 말그대로 고전역학적 근사일뿐, 실제 우주는 전자가 공전한다거나 광속으로 회전하는 등
인간이 체험적으로 느끼는 세계의 역학처럼 움직이지 않는다. 자세한 내용은
양자역학 참고.
[2]
질량이 늘어난다는 표현은 잘못된 표현이다. 질량은 그자체로 절대적인 값으로 질량이 증가하는 게 아닌 상대론적 운동에너지가 증가하는 것이다.
[3]
순수한 구리는 적색을 띠지만 이것은 상대론적 효과에 의한 것이 아니라 구리의 원자 구조에서 비롯한 정상적인 현상이다.
[4]
상대론적 효과가 없을 경우 수은은 82℃의 녹는점을 가진 고체 원소일 것이라고 한다.
[5]
리처드 파인만은 138번 원소부터 광속을 넘을 것으로 예측했으나, 이후 원자핵이 점전하가 아닌 크기가 있다는 점을 고려한 예측에서는 그 한계가 더 높을 것으로 예측되었다.