원자 구조에 대하여 알아보기

원자 구조

원자는 정규의 전하를 띤 원자 핵과 부의 전하를 띤 전자로 구성된다고 여기고 있다. 원자핵은 더욱 요코와 전기적으로 중성인 중성자에서 구성된다(단 1H와 3Li는 중성자를 포함하지 않는다). 요코와 중성자의 개수의 합계를 질량수라고 부른다. 원자핵의 반경은 원자 반경의 약 10만 분의 1(1fm정도)로 작으며 일반적인 원자의 모식도는 원자핵의 크기를 원자에 대해서 몇 분의 1 정도에 그렸지만 이는 실체와는 동떨어진 데포르메이다. 원자는 딱딱한 구체이기보다는 오히려 진공 속에 존재하는 점상의 원자 핵과 전자이다. 단, 전자는 자주 그려지는 모식도처럼 특정 궤도를 그리며 원자핵 주위를 돌고 있는 것이 아니라 원자핵 주위에 확률적으로 분포하고 있으며, 원자핵을 전자구름이 감싼 이미지 더 현실에 가깝다.

원자의 크기와 원자 반지름

 

원자 크기의 직감적인 정의는 전자구름 확산이며, 일반적으로는 구상으로 간주되고 있지만 전자구름은 문자 그대로 구름 모양 혹은 안개 모양의 것이며, 그 경계면을 정의하는 것은 어렵다. 특히 화학 결합하고 분자를 형성하고 있는 경우 등에는 어디까지가 있는 원자에 속한 전자구름인가를 정의하기 어렵다. 또 원자가 전자를 얻거나 잃든 이온 한 경우에는 하라 자운의 확대도 당연히 바뀌면서 원자의 크기도 달라진다.

이런 사정 때문에 원자의 크기를 정량적으로 보여원자 반지름에는 몇 가지 정의가 있고 경우에 의해서 분별한다.

원자의 질량과 원자량

 

원자의질량를 나타내는 것은 원자 질량 단위(u)가 자주 이용된다. 이는 질량수 12의 탄소원 자이다. 12C(탄소 12) 1개의 질량을 12u라고 정의한 것이며, 1u=1.6605402(10) × 10-27kg이다.

또 원자의상대적 질량비를 나타내는 것으로 원자량가 있으며 이는 앞의 12C(탄소 12) 1개의 질량을 12와 정한 경우 외의 원소의 질량 비이다. 한 원자의 원자 질량 값은 그 원자 한 개의 질량을 u로 나타낸 때의 값과 전혀 동일하나, 원자량은 어디까지나 비율을 나타내는 양으로, 단위를 붙이지 않는다 무차 원수이다.

원자 양과 질량 수는 거의 같은 크기이지만, 그 정의상 반드시 정수 값을 취한 질량 수와 달리 12C 이외의 원자의 원자량은 엄밀히 말하면 소수이다. 이는 원자핵을 구성하는 요코와 중성자 질량이 미묘하게 다른 한편 그 핵자의 결합 에너지에 의한 질량 결손이 원자로 다르기 때문이다. 그래도 원자의 상대 질량은 무려 질량수에 가까운 수치를 취한다.

복수의 동위 원소를 포함한 원소에서는 정수 값에서 더 떨어진 값을 받는 경우가 있다.이것은 많은 원소는 질량 수의 다른 원자(동위 원소)가 존재하며 그 존재 비율도 다양한 때문이다. 예를 들어 12C의 원자량이 엄밀하게 12인 것에 대한 탄소의 원자량은 12.011이지만, 이것은 탄소에는 12C 외에 소량의 13C(더욱 극히 소량의 14C)이 포함되고 있기 때문이다. 원자량의 개수가 계산에 의해서 구할 수 있어 예를 들면 염소의 원자량은 35.453이지만, 이 경우 35Cl의 존재비가 약 76%, 37Cl의 존재비가 24%로 되어 있어 35 ×0.76+37 ×0.24라는 계산으로 개수(35.48이 되는 오차는 약 0.1%)를 구할 수 있다.

원자와 원소

 

원자는 내부에 가진 요코와 중성자의 각 개수 차이로 구별되는 개개의 입자를 말한다.예를 들면 탄소 원자는 중성자 수의 다른 12C,13C,14종류가 존재한다. 한편 원소는 중성자 수에 관계없이 어느 특정의 양성자 수(원자 번호)를 가진 원자의 그룹을 가리킨다. 예컨대"탄소는 연소(산소와 결합) 하고 이산화탄소를 생성한다"라고 표현한 경우의 "탄소"이나 "산소"는 원소를 의미한다.

주기표

 

주기표(원소 주기율 표)는원소를 양성자 수와 동일한 원자 번호순으로 늘어놓은 표이다.

화학적 물리적으로 비슷한 성질의 원자(원소)를 보기 쉽게 하기 때문에 일정 수마다 되풀이해서 내놓고 있다. 아래 표는 대표적인 것으로, 그 외에도 나선형이나 원추형 블록형 등 여러 형식이 고안되고 있다. 표의 최상단에는 1~18의 숫자가 흔들고 있다. 이를 원소의 패거리와 부른다. 각각의 칸에는 원자 번호와 원소 기호가 기록되어 있다. 실용성을 높이기 위해 원자량을 원소 기호 아래에 기술하는 것이 일반적이다. 이 경우 안정 동위 원소 없는 원소에 대해서는 기존의 동위 원소 중 가장 반감기긴 것과 존재보다 높은 것의 질량 수를 괄호 쓰기 하여 기재한다. 또 색깔과 기호 등을 이용하고 상온에서 상을 나타내거나 전이 원소·반금 속 원소·인공 방사성 원소를 표현하기도 했다.

원자의 구조 모식도

현실의 원자는 원자의 크기에 비해서 원자핵이 지극히 작고, 또 전자는 확률적으로 분포하고 있으므로 원자의 구조를 사실적으로 정확하게 그리는 것은 곤란하고, 또 그런 묘사는 원자의 구조를 이해하는 데 반드시 유익하지 않다. 그래서 원자의 구조를 나타낼 때는 인간의 두뇌도 파악하기 쉽게 데포르메·재구성한 모식도가 보통 이용된다. 오른쪽에 나타낸 그림은 그 일례이다. 이 그림에서는 산소 원자 중 가장 존재량이 많다 16O을 나타내고 있다. 최 내각(K껍질)에 2개, 그 바깥 껍질(L껍질)에 6개 등 총 8개의 전자 핵 내에 8개의 요코와 8개의 중성자의 존재를 읽을 수 있다.

보어의 원자모형

 

보어의 원자 모형(영국:Bohr's model)는러더퍼드의 원자 모형[주 갖는 물리학적 모순을 해소하기 위해서 고안된 원자 모형이다. 이 모형은 수소원자에 관한 실험 결과를 멋지게 설명하고 양자 역학의 선구(전기 양자론)이었다.

그 후의슈뢰딩거으로파동 함수 도입과 보른에 따른 확률 해석에 의해서 이 모형 "전자가 궤도 운동을 한다"다는 점은 잘못인 것으로 나타났다.

개요

 

기존의 고전 전자기학에서는 입자가 원운동을 하면 그 회전수가 같다는 생각을 가지고 진동수의 전자파를 방사하다가 에너지를 상실한다. 그래서 정의된 게 전하를 띤 원자핵 주위를 부의 전하를 가진 전자가 동심 원형 궤도를 돌고 있다는 태양계형 원자 모형과 토성형 원자 모형에서는 전자는 에너지를 잃고 원자핵에 이끌려서 버릴 거라 생각되었다. 한편, 분광학에서의 원자의 휘선 스펙트럼의 연구에 의한 원자의 발하는 빛은 특정의 복수의 진동수에만 국한되며 각 진동 수 사이에는 일정한 법칙(리츠의 결합 법칙)이 성립되는 것으로 알려졌다. 상술과 같은 불안정한 전자는 연속적인 진동수를 방사한 고전적인 묘사로는 설명이 어렵다.

그것들을 해소하기 때문에 1913년에 코펜하겐 대학의 닐스 보어는 "원자 및 분자의 구성에 대해서"이라는 3부작의 논문의 제1논문 속에서 다음과 같은 가설을 바탕으로 새로운 원자 모형을 제시했다.

전자는 특정의 이산적인 에너지 상태(에너지 준위)에 속하며 대응하는 궤도를 운동한다. 이 상태를 정상 상태.정상 상태에서는 전자는 전자파를 방출하지 않고 고전 역학에 따라서 운동한다.
에너지 준위와 대응하는 궤도는 고전적으로 가능한 것부터 양자 조건이 충족될 것만 선택된다.
전자는 어떤 정상 상태에서 다른 정상 상태로, 갑자기 이행한다. 이를 상태의 천이라고 한다.그 때에 방사(흡수되는 빛의 진동수는 진동수 조건을 충족시킨다.
보어가 제시한 모형은 왜 원운동 하는 전자가 에너지를 잃지 않는가 하는 점을 설명하는 것은 아니지만보어의 양자 조건라는 대담한 가설로 이를 일단 미루고, 스펙트럼의 법칙성에 합치한 설명을 주는 것이었다.