物質 (物質)의 古典的 定義는 物體 를 이루는 存在 이다. ^{[1] [2]} 이에 따라 物質은 質量 과 부피 를 갖는 存在로 定義되기도 한다. ^[3] 그러나, 量子力學 의 導入으로 物質에 對한 이러한 槪念은 修正되어야 했다. 量子力學의 發見結果는 "質量을 갖는다"거나 "空間을 차지한다"는 것이 物質을 定義하는 明瞭한 槪念이 될 수 없다는 것을 보여주었다. 陽子力學을 硏究하는 物理學者들은 質量과 부피가 物質 固有의 屬性이 아니라 "基本 單位"의 相互 作用에 依해 變化되는 것이라는 點을 發見하였다. ^{[4] [5]} 이를 物質의 上官 理論이라 한다. ^[6]

物質에 對한 槪念은 基本 單位와 이것의 相互 作用을 發見하면서 再定義되어 왔다. 18世紀 初 아이작 뉴턴 은 物質을 "內部가 채워져 있고, 質量을 가지며, 단단하고, 貫通할 수 없으며, 運動하는 粒子"로서 "더 以上 나뉠 수 없을 程度로 단단한 것"이라 보았다. 뉴턴은 質量, 부피와 같이 數學的으로 敍述할 수 있는 것들을 物質의 一次的 特性으로 보았고 色, 맛과 같은 것들은 副次的 性質로 規定하였다. ^[7] 19世紀에 들어 週期律表 와 原子論 이 發展하면서 原子 가 分子 와 化合物 을 이루는 基本 粒子로 여겨지게 되었다. ^[8]

19世紀 末 조지프 존 톰슨 이 電子 를 發見하였고, 20世紀 初에는 가이거-마즈든 實驗 을 통해 原子核 이 發見되었다. 粒子物理學 이 成立되자 元子는 電子 , 中性子 , 陽性子 로 構成되어 이들의 相互 作用에 依해 形成되었다는 것이 밝혀졌다. 오늘날에는 陽性子와 中性子 亦是 最小 單位의 粒子가 아니며 이들은 쿼크 로 나뉠 수 있다는 事實이 알려져있다. 現代 物理學은 쿼크와 렙톤이 物質을 이루는 基本粒子 라고 把握하고 있다. ^[9]

쿼크와 렙톤은 네 種類의 基本 相互作用 , 卽 重力 , 電磁氣力 , 弱한 相互作用 , 强한 相互作用 에 依한 相互 作用으로 中性子, 陽性子, 電子와 같은 여러 가지 粒子들을 이룬다. 粒子物理學의 標準 模型 은 現在 모든 物理學 現象을 說明하는 가장 强力한 理論이다. 그러나, 지난 10年間의 努力에도 不拘하고 重力은 兩者 水準에서 說明되지 못하고 있다. 重力은 如前히 古典物理學 의 範疇에서만 說明 可能하다.( 兩者 重力 과 重力 을 參考할 것) ^[10] 쿼크와 렙톤 間의 相互作用은 光子 와 같은 힘 傳達 粒子 의 交換으로 이루어진다. ^[11] 힘 傳達 粒子는 쿼크와 렙톤의 相互作用에는 關與하나 스스로 物質을 構成하지는 않는다. 또한 힘 傳達 입자는 質量과 에너지 中 한 가지만 傳達할 수 있다. 光子 는 電磁氣에너지만을 傳達하며( 플랑크 常數 ), W 보손 은 弱한 相互作用 에너지인 質量만을 傳達한다. 한便, 光子와 w 보손 모두 物質을 構成하지는 않지만, ^[12] 原子나 아원자 粒子 의 全體 質量에는 包含된다. ^{[13] [14]}

物質의 狀態 ^[15] (또는 上 )에는 一般的으로 固體 , 液體 , 機體 가 있다. 理論物理學 에서는 , 페르微溫 凝縮 과 같은 理論的 賞을 다루기도 한다. 基本粒子의 側面에서 보면 쿼크-글루온 플라스마 와 같은 것 亦是 物質의 賞 가운데 하나로서 다루어질 수 있다. 物質波 라고 한다. ^{[16] [17] [18]}

宇宙論 에서는 暗黑 物質 과 暗黑 에너지 를 다루기도 한다. 이들은 旣存 物理學에서 다루는 物質과는 조금 다른 槪念으로 視覺的으로 觀察할 수 없는 質量과 에너지를 갖는 存在를 다루기 위한 槪念이다. ^[19]

正義 [ 編輯 ]

一般的 定義 [ 編輯 ]

物質에 對한 一般的인 定義는 質量 과 부피 를 갖는 存在이다. 이러한 定義를 따르면 自動車 等도 무게가 있으며 空間을 차지하므로 하나의 物質로 看做할 수 있다. ^{[20] [21]}

사람들은 아주 오래前부터 物質을 觀察하여 왔으나 物質이 왜 空間을 차지하는지에 對한 理論은 最近에야 定立되었다. 파울리 排他 原理 에 依하면 같은 量子 狀態에 두 個의 同一한 페르微溫 이 存在할 수 없다. 이에 따라 物質은 重疊되지 않는다. ^{[22] [23]} 파울리 排他 原理를 克明하게 보여주는 天體 로는 白色矮星 과 中性子별 等이 있다.

國際度量衡事務局 [ 編輯 ]

國際度量衡總會 의 傘下機關인 國際度量衡事務局 은 物質에 對해 "存在의 總合"이란 用語로서 定義하고 있다. ^[24]

“

"存在의 總合"은 特定 標集이 그와 同一한 모든 票집에 對하여 數量的 比例 關係에 있는 要素들로 이루어져 있는 境遇로 定義한다. 存在의 總合의 單位는 몰 이라하고 mol로 表記한다. 炭素 12의 原子가 1 몰 있을 때의 質量을 0.012 kg , 卽 12 g 理라 한다. 1. 炭素 12의 原子가 1 몰 있을 때의 原子 數量에 該當하는 數量과 같은 數量을 갖는 存在의 總合을 1 mol이라 한다. 2. 몰로 表記될 수 있는 存在는 原子 , 分子 , 이온 , 電子 , 또는 其他 粒子 이며 列擧한 粒子들이 結合되어 있는 境遇를 包含한다.

”

原子와 分子 [ 編輯 ]

物理學 이나 化學 에서는 物質을 原子 나 分子 의 集合體로서 定義한다. 이 正義는 國際度量事務局의 正義에 一部 符合하는 것이긴 하나 몰 單位가 考慮되지 않는 다는 點에서 다르다. DNA 와 같은 物質은 原子와 分子로 結合되어 있다. 그러나 DNA를 다룰 때에는 몰 單位로서 把握하는 것은 意味가 없다. DNA를 통해 世代에서 世代로 遺傳되는 形質 等을 硏究할 때 重要視 되는 것은 DNA의 鹽基序列과 같은 것이다. 또한 原子와 分子의 結合으로 物質을 說明하는 것에는 분명한 限界가 있다. 卽, 原子보다 작은 粒子인 電子 , 陽性子 , 中性子 等과 이를 이루는 基本粒子 等을 다루는 境遇와 플라스마 , 電解質 과 같은 이온 物質에 對해서는 別途의 定義가 必要하다.

粒子 [ 編輯 ]

陽性子 , 中性子 , 電子 가 原子를 이루는 物質이라 定義할 수 있다. ^[25] 그러나 이러한 粒子들 亦是 가장 작은 物質의 基本 單位는 아니다. 이들은 다시 쿼크 와 輕粒子 과 같은 페르微溫 으로 分解될 수 있다. 標準 模型 에서는 페르微溫 을 物質의 最小 單位로서 定義한다. 한便, 또다른 基本粒子인 보손 은 物質을 이루지 않으며 에너지만을 傳達한다. ^{[26] [27]}

粒子에 依한 物質의 定義에 따르면 原子는 輕粒子 의 一種인 電子 와 쿼크 에 依해 이루어진 바리온 人 陽性子 , 中性子 로 이루어진다. 이렇게 이루어진 原子는 다시 分子를 構成한다. 이러한 意味에서 原子와 分子를 物質의 基本單位로 定義할 수 있다. 이러한 定義는 이온 과 같이 原子가 아닌 狀態의 物質에서도 適用될 수 있다.

한便, 原子가 分解될 수 있다는 事實을 發見한 以來 粒子物理學 은 더 작은 基本粒子를 찾기 위한 實驗을 繼續해왔다. ^[28] 가장 처음 發見된 것은 두 種類의 쿼크( 位 , 아래 )와 두 種類의 輕粒子( 電子 , 電子 中性微子 )로 이를 1世代 粒子라 한다. 以後 2世代 粒子인 2種類의 쿼크( 맵시 쿼크 , 己卯 쿼크 )와 2種類의 輕粒子( 뮤온 , 뮤온 中性微子 ), 3 世代 粒子인 꼭대기 쿼크 , 바닥 쿼크 , 타우 , 타우 中性微子 가 發見되었다. 여기서 世代는 發見 時期가 비슷한 粒子들을 便宜에 따라 묶은 것이다. ^[29]

物質의 分類 [ 編輯 ]

物質은 環境에 따라 여러 가지 上 을 갖는다. ^[30] 物質의 賞은 溫度 , 壓力 , 부피 에 따라 變化한다. ^[31] 物質의 床이 變化하면 이와 關聯된 密度 , 非熱容量 , 屈折率 과 같은 物理 化學的 特性亦是 變化한다. 物質의 上으로는 固體 , 液體 , 機體 가 널리 알려져 있다. 이 外에도 플라스마 , 初有體 , 超固體 , 보스-아인슈타인 凝縮 과 같은 像이 있다. 이러한 物質의 賞은 特性에 따라 流體 , 磁性體 等으로 分類할 수도 있다. 液體 , 機體 , 플라스마 와 같이 흐르는 性質을 갖는 物質의 賞을 流體 라 하며 常磁性 이나 强磁性 을 보이는 像을 磁性體라 한다. 플라스마는 流體의 特性과 常磁性의 特性을 모두 갖고 있다.

熱力學 에서는 物質의 賞을 物質의 狀態 로 把握한다. 例를 들어 서로 다른 두 種類의 物質이 溫度와 壓力의 變化로 固體가 되었을 境遇 이 두 物質이 받는 溫度와 壓力이 모두 다르더라도 둘 다 固體라 할 수 있다.

固體 [ 編輯 ]

固體는 일정한 模樣을 가지고 있어 힘이나 壓力의 變化에도 模樣이나 부피가 變하지 않고 自體 構造를 維持하는 物質 狀態이다. 巖石 , 金屬 과 같이 强盜 가 剛한 物質부터 종이 와 같이 柔軟한 것, 有利 와 같이 決定이 없는 것 等 여러 種類가 있다. 代表的으로 얼음 을 들 수 있다. 固體는 分子 사이의 間隔이 매우 稠密하고 아주 規則的으로 配列되어 있어 일정한 模樣과 부피가 있다.

液體 [ 編輯 ]

液體는 粘性 을 갖는 流體 이다. 一定한 부피 를 갖고 있으나 形態를 維持하지는 못한다. 代表的으로 물 이 있다. 液體는 固體보다 分子 사이의 間隔이 넓고 固體에 비해 分子가 자유롭게 運動하기 때문에 담는 곳에 따른 模樣이 다르다(하지만 부피는 一定하다).

機體 [ 編輯 ]

一定한 凝集力이 없는 流體 이다. 凝集力이 없기 때문에 模樣과 부피가 일정하지 않다. 水蒸氣 가 代表的이다. 氣體의 分子 사이의 間隔은 매우 넓고 不規則하여 일정한 模樣과 부피가 없다.

보스-아인슈타인 凝縮 [ 編輯 ]

보스-아인슈타인 凝縮은 보즈가 理論的 土臺를 마련하고 아인슈타인이 이를 補完하여 豫見한 物質의 賞이다. 보손 粒子들이 絶對 影島 에 近接할 때 凝縮하여 나타난다. 實驗室에서의 證明은 1995年 6月 5日 航空物理 共同硏究所(JILA)에서 코넬, 와이먼과 同僚 硏究者들에 依해 이루어졌다. 그들은 2000個 程度의 루비듐87 原子가 包含된 機體를 레이저 冷却(1997年 노벨 物理學賞을 받은 技術)과 自己 蒸發 冷却 技術을 利用해 170nK까지 冷却시켜 보스-아인슈타인 凝縮의 觀察에 成功하였다. ^[32] 이로부터 넉달 後 MIT의 볼프강 케테를레가 獨立的으로 進行한 硏究에서 나트륨23 原子를 冷却시켜 成功하였다. 케텔레의 硏究는 100倍 더 많은 原子를 利用하여 두 個의 다른 凝縮 사이에 兩者 干涉이 일어나는 것을 觀察하는 等 重要한 成果를 얻었다. 코넬, 와이먼, 케테를레는 이 成果로 2001年 노벨 物理學賞 을 受賞하였다.

페르微溫 凝縮 [ 編輯 ]

페르微溫 凝縮은 여러 面에서 보스-아인슈타인 凝縮과 비슷한 物質의 賞이다. 그러나, 보스-아인슈타인 凝縮의 對象인 보손 代身 페르微溫 이 極 低溫에 이르렀을 때 나타나는 現象이다. 超傳導 와 關聯한 電子의 狀態를 豫測하면서 페르微溫 凝縮이 豫見되었으며, 2003年 데보라 S 陳 이 實驗室에서 만들어내었다. ^[33] 이 實驗에서 페르微溫 凝縮을 만들기 爲해 到達한 溫度는 50-350 nK이다. ^[34]

中性子별의 核 [ 編輯 ]

中性子별 은 自體 密度로 인해 매우 剛한 內部 壓力을 갖는다. 이 때문에 中性子별의 核은 旣存의 物質의 像과는 다른 賞을 띌 것으로 推定된다. 찬드라세카르 限界 에 近接한 白色矮星 은 太陽의 約 1.4倍에 達하는 質量을 갖는다. 이보다 더 큰 質量을 갖게 되면 白色矮星은 崩壞되어 中性子별이나 블랙홀 , 또는 쿼크別 이 된다. 이러한 壓力을 받으면 崩壞된 粒子가 파울리 排他 原理 에 依해 縮退物質 을 形成할 수 있다. 太陽의 1.5倍에서 3倍의 質量을 갖는 中性子별의 境遇 陽性子 와 電子 가 衝突하여 中性子가 되는 現象이 發生한다. 中性子 亦是 페르미온이므로 이러한 縮退의 結果 亦是 파울리 排他 原理가 維持되는데 이러한 狀態에 이른 物質의 賞을 中性子 縮退 物質 理라 한다. ^{[37] [38]}

쿼크-글루온 플라스마 [ 編輯 ]

글루온 과 하드론 이 플라스마 形態로 存在할 수 있다는 理論에 依해 豫見된 假想의 物質 賞이다. 아직 確認되지는 않았다. ^[39]

基本粒子의 構造 [ 編輯 ]

粒子物理學 의 標準 模型 에서 物質을 이루는 基本粒子 는 페르微溫 이다. 페르미온은 쿼크 와 렙톤 으로 區分되며 페르미-디랙 統計 에 따라 分布한다.

쿼크 [ 編輯 ]

쿼크는 바리온 과 메존 을 이루는 基本粒子 이다. 쿼크의 種類와 物理的 特徵은 아래의 表와 같다.

이름(英文)	記號	電荷量	質量 ( MeV )
位(Up)	u	+2/3	1.5 - 5
아래(Down)	d	-1/3	17 - 25
맵시(Charm)	c	+2/3	1100 - 1400
己卯(Strange)	s	-1/3	60 - 170
꼭대기(Top)	t	+2/3	165000 - 180000
바닥(Bottom)	b	-1/3	4100 - 4400

바리온 [ 編輯 ]

바리온은 强한 相互作用 을 하는 陽性子 , 中性子 를 통틀어 부르는 이름이다. 세 個의 쿼크로 이루어져 있다.

縮退物質 [ 編輯 ]

粒子物理學에서는 縮退物質을 페르微溫 氣體가 絶對 影島 에 近接할 때 나타나는 바닥狀態로 定義한다. ^[40] 파울리 排他 原理 에 依해 페르미온은 같은 量子 狀態에서 業 또는 다운 스핀 中 하나만을 取할 수 있다. 이에 따라 絶對 零度에서 페르微溫은 受容 可能한 모든 狀態로 채워진다. 이렇게 페르미온이 普通의 溫度에 있을 때 보다 過度하게 쌓이면 페르미 準位 는 最大點에 到達하게 되고 一般的인 物質의 像과는 다른 像을 形成하게 된다. 縮退物質은 白色矮星 보다 무거운 中性子별 等에서 存在할 것으로 推定된다. ^[41] 찬드라세카르 限界 를 넘어서는 質量을 갖는 별들은 恒星의 進化 過程을 거쳐 이러한 段階에 이르게 된다. ^[42]

異常한 物質 [ 編輯 ]

異常한 物質은 쿼크 物質 의 特異 狀態로 位 쿼크 , 아래 쿼크 , 己卯 쿼크 ^[43] 가 液體 의 像을 이루고 있는 上 이다. 中性子별 의 核部分과 쿼크別 에 存在할 것으로 推定된다. ^[44]

렙톤 [ 編輯 ]

렙톤은 스핀 1/2人, 페르미온이면서 剛한 相互作用의 影響을 받지 않는 粒子이다. 電子 , 뮤온 , 타우온 과 같은 中性 미자 가 렙톤에 該當한다. ^[45] 렙톤의 種類와 物理 特性은 아래와 같다.

荷電 粒子 / 反粒子				中性微子 / 反中性微子
이름	記號	殿下	質量 ( MeV )	이름	記號	殿下	質量 ( MeV )
電子 / 陽電子	${\displaystyle e^{-}\,/\,e^{+}}$	?1 / +1	0.511	電子 中性微子 / 電子 反中性微子	${\displaystyle \nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}}$	0	<0.000003
뮤온 / 反뮤온	${\displaystyle \mu ^{-}\,/\,\mu ^{+}}$	?1 / +1	105.6	뮤온 中性微子 / 뮤온 反中性微子	${\displaystyle \nu _{\mu }\,/\,{\overline {\nu }}_{\mu }}$	0	<0.19
타우온 / 反타우온	${\displaystyle \tau ^{-}\,/\,\tau ^{+}}$	?1 / +1	1777	타우온 中性微子 / 타우온 反中性微子	${\displaystyle \nu _{\tau }\,/\,{\overline {\nu }}_{\tau }}$	0	<18.2

反物質 [ 編輯 ]

物理學의 未解決 問題 : 바리온 不均衡
觀測 可能한 宇宙에서 反物質 보다 物質이 많은 까닭은 무엇인가?

反物質은 反粒子 의 槪念을 物質로 擴大시킨 것이다. 物質이 粒子로 이루어져 있듯이 反物質은 反粒子로 構成되어 있다.

普通의 物質을 構成하는 素粒子(陽性子, 中性子, 電子 等)의 反粒子(反陽性子, 反中性子, 陽電子 等)로 構成되는 物質을 말한다. 粒子와 反粒子가 만나면 相互作用하여 감마선이나 中性微子로 變하기 때문에 存在를 確認하기 어렵다. 實際로 確認한 反物質은 反中性子, 反陽性子, 反重陽性子 等이 있다.또한 反物質과 物質이 서로 接觸하면 雙消滅이 일어나고 莫大한 量의 에너지가 發生한다.

觀測 可能한 宇宙에서 物質이 反物質 보다 많은 까닭은 아직까지 밝혀지지 않고 있다. 이를 CP 違反 理라 한다. 弱한 相互作用에서는 쿼크의 質量 固有狀態와 맛 固有狀態가 一致하지 않는 3個 以上의 쿼크가 있다면 只今까지 觀測된 CP 違反을 說明할 수 있다. 이를 豫見한 고바야시 마코토 와 마스카와 도시히데 는 2008年 노벨 物理學賞 을 받게 되었다. ^[46]

物質의 反應 [ 編輯 ]

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기타 [ 編輯 ]

天文學에서 暗黑 物質 은 빛을 비롯한 電磁氣 複寫가 없어 그 自體로는 觀測되지 않는 物質을 말한다. 觀測 可能한 宇宙에서 暗黑物質은 全體 質量의 23%를 차지하고 있다. ^[47] 暗黑 物質을 이루는 物質로는 액시온 과 같은 假想의 粒子가 提案되고 있다. ^[48]

같이 보기 [ 編輯 ]

• 質量
• 에너지
• 粒子物理學

各州 [ 編輯 ]