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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 황산을 이용해 축전지를 만들면 전압이 거의 발생하지 않는다. 또한 납과 주석의 결정 모양이 다른 것도 상대론적 효과에 의한 것이라고 한다.
- 프랑슘, 라듐 - 주기율표상에서 세슘과 바륨의 아래에 있음에도 불구하고 이들보다 약한 반응성을 보인다.
3. 영향을 받을 것으로 예측되는 원소
7주기 후반 이후 원소에서는 전자의 공전속도가 점점 광속에 보다 가까워지면서, 전자의 질량이 변하는 정도가 점점 커지기 때문에 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. 좀 더 정확한 설명은,
슈뢰딩거 방정식은 본래 비상대론적 방정식이지만 여기에 상대론적 효과를 집어넣으면 파동함수가 비상대론적 슈뢰딩거 방정식에서 나타나는 것과 달라진다는 것이다. 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.