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핵 스핀(Nuclear Spin)과 핵자기 쌍극자(Nuclear Magnetic Moment)

by 건강샘 2021. 5. 26.
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핵 스핀과 핵자기 쌍극자

 

원자는 원소의 화학적 성질을 갖는 가장 작은(최소) 단위이다.
원자의 구성은 핵과 전자이다.

물질의 중심에 (+) 전하를 띠는 양전하가 있고 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 움직이고 있다.

원자핵은 (+)전하를 띠는 양성자와 전하가 없는 중성자로 이루어져 있다.

가장 작은 원자는 수소이다.

수소원자( 1H)는 양전하를 가진 양성자 1개와 그주위를 움직이는 전자 1개로 구성 되어 있다.

수소핵(proton)은 조그만 위성과 비슷하게 마치 지구가 자전 하는 것처럼 꾸준히 축을 중심으로 돌고 있다. 이것을 수소핵이 스핀(spin)을 가졌다고 한다.

수소핵의 스핀운동

양전하가 수소 핵에 붙어 축을 중심으로 회전하는 것과 같아 양 전하를 띤 수소의 핵스핀으로 인하여 전류가 생성된다.

전자기학에 의하면 전하의 움직임은 전류의 흐름을 말하고, 전류의 흐름이 있으면 자장이 발생한다. 예를 들면 철로 된 못에 에나멜선을 감고 건전지를 연결하면 그 못을 중심으로 감긴 전선을 따라서 회전하는 전류에 의해 못이 전자석이 되는 원리처럼 수소 핵의 스핀에 의해서도 자장이 형성된다. 이때 형성된 자장의 방향과 세기를 벡터로 표현한 것을 핵자기 쌍극자(Nuclear Magnetic Monent)라고 한다.

즉, 양전하를 띤 수소핵은 스핀을 가지고 있어 양전하가 수소 핵을 중심으로 돌고 있으며, 이 양전하의 회전은 자장을 형성시켜 수소 핵은 마치 작은 막대자석 처럼 행동하게 된다.이렇게 막대 자석처럼 행동하는 핵을 자기 쌍극자(Magnetic dipole)라고 한다.

핵자기 쌍극자의 세기는 핵의 질량, 전하량, 핵의 회전속도에 의해서 결정되므로 핵 자신 또는 외부의 상태에 따라서 달라진다. 또한 수소 원자 뿐만아니라 홀수의 양성자나 중성자를 가지고 있는 원자는 자기쌍극자를 가지고 있다.

 

원소, 원자, 분자의 구분

원소(element) 원소는 물질을 이루는 기본 성분, 화학적인 방법으로 더이상 다른 물질로 분해되지 않는다.

물질은 물리적인 방법으로 분리할 수 없는 순물질과 둘 이상의 순물질로 분리가 가능한 혼합물로 구분 된다.
순물질은 한 종류의 동일한 물질로 이루어져 있으며, 일정한 물리적인 특성을 보인다.(밀도, 녹는점, 끓는점)
순물질은 물질을 구성하는 가장 기본 단위이며, 낱개를 셀 수 있는 단위인 원자의 종류에 따라 원소(elemant)와 화합물(compound)로 구분된다.
예를 드면 네온(Ne)기체는 더 이상 물리적인 방법으로 분리되지 않고, 일정한 환경에서 동일한 밀도, 녹는점, 그리고 끓는점을 갖는 순물질이며, 원소이다.
이산화탄소(co2)는 더이상 물리적인 방법으로 분리되지 않으며 일정한 환경에서 동일한 밀도, 녹는점, 끓는점을을 갖는 순물질이지만, 탄소 원자 하나와 산소원자 두개로 구성된 분자로 이루어진 화합물이다.
원자(atom) 원소의 화학적 성질을 갖는 최소단위이다.
원자는 원자핵과 전자로 구성되며 원자핵은 양성자와 중성자로 구성된다.
분자(molcule) 분자는 물질을 구성하는 최소의 단위이다. 
분자는 원자들이 화학결합을 통해 구성한 최소의 단위체를 말한다.
비활성기체의 경우 단원자가 분자를 이룰 수도 있다. Ar은 그 자체로 원자이면서 분자이다.
분자는 같은 종류 원자가 결합된 분자(동종핵 분자)와 서로 다른 원자들이 결합된 분자(이종핵 분자)로 구분된다.
동종핵 분자는 H2, O2가 해당된다. 이종핵 분자는 서로 다른 원자들이 결합하여 분자를 이루기 때문에 그 수가 무한히 많다.
보통 비공유 결합(non-covalent bonding)으로 서로 결합되어 있는 결합체는 분자라고 부르지 않는다.
예를 들면 수소결합, 이온결합, 금속결합 등이다.
독립적으로 물리적-화학적 성질을 보이는 원자의 모임을 분자라고 합니다.
분자는 이를 이루고 있는 원자의 개수에 따라 단원자 분자 (예: Ne),이원자 분자(예: 질소-N2) 삼원자 분자(오존-O3, 이산화탄소-CO2), 다원자 분자(예: 삼산화황-SO3)가 있다.

물질 > 원소 > 분자 > 원자

 

물질- 순물질: 더이상 분리가 불가능한 한종류의 동일한 물질 ex: Ne

        혼합물: 둘이상으로 분리가 가능한 순물질 ex: co2 (탄소1원자와 산소2원자)

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