전자(Electron), 원자핵(Atomic nucleus), 양성자(Proton), 중성자(Neutron)를 발견한 역사를 통해서, 지금 현재 과학자들이 말하는 원자의 구조에 대해 알아보겠습니다.
원자의 구조 발견 순서
전자(Electron)
원자의 구조 내용에서 제일 처음 나오는 내용은 전자입니다.
1897년 톰슨(Sir Joseph John Thomson)이 유리관 안에 소량의 기체를 넣고 높은 전압을 걸어줬습니다.
그랬더니 (-) 극에서 (+)극 쪽으로 빛을 내는 선이 나왔습니다.
이 선의 이름을 음극선이라고 불렀습니다.
이 음극선에 대해서 여러가지 실험을 해봤습니다.
먼저 음극선 중간 경로에 장애물을 놓으니까 그림자가 생겼습니다.
1. 음극선은 직진하는 성질을 띄고 있다는 것을 알 수 있습니다.
바람개비를 놓으니까 빙글빙글 돌아갔습니다.
2. 질량이 있다는 것을 알 수 있습니다.
(+), (-) 극을 가져가니까 (+) 방향으로 휘었습니다.
3. (-)극을 띄고 있다는 것을 알 수 있습니다.
톰슨은 이 현상들을 보고 생각했습니다.
‘음극선은 전기적 성질을 띄는 입자로 되어있다’
그래서 입자 이름을 전자(Electron)라고 붙였습니다.
전자의 발견을 발표하면서 원자는 (+)가 고르게 분포 되어 있고, 전자가 건포도처럼 박혀있는 원자 구조 모형을 제시했습니다.
원자핵(Atomic nucleus)
1911년 톰슨의 제자 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 스승님이 제시한 원자의 구조가 맞다고 증명하고 싶었습니다.
그래서 얇게 핀 금에 헬륨 원자핵(알파 입자)을 총알처럼 쐈습니다.
처음에는 이 알파 입자가 전부 통과할 것이라고 예상했습니다.
하지만 실험 결과는 예상과 달랐습니다.
대부분 통과 했지만, 일부 입자들의 경로가 휘거나 튕겨져 나왔습니다.
이 현상을 보고 러더퍼드는 ‘원자는 대부분 빈 공간이지만, 중심에 질량의 대부분을 차지하고 있는 뭔가가 있는 것 같은데?’라는 생각을 합니다.
그래서 러더퍼드는 스승인 톰슨이 제안했던 원자 모형과 다르게 원자 중심에 핵이 있고 그 주변을 전자가 돌고 있다는 모형을 제시합니다.
지금 우리가 알고 있는 원자의 구조와 제법 비슷한 모형이 제시 되었습니다.
양성자(Proton)
원자핵은 더 이상 쪼갤 수 없는 줄 알았지만, 사실 더 쪼갤 수 있었습니다.
1886년 골드슈타인(Eugen Goldstein)이 수소 기체로 만든 양극선 실험을 바탕으로
1919년 러더퍼드가 수소 원자핵은 양성자라는 것을 알게 됩니다.
중성자(Neutron)
1932년 채드윅이 베릴륨 원자핵에 알파 입자를 빵 쐈더니 전기적인 성질을 띄지 않고 나오는 입자를 발견합니다.
이 입자 이름을 중성자라고 지었습니다.
이렇게 전자, 원자핵, 양성자, 중성자를 발견한 역사에 대해서 알아봤습니다.
입자의 특징을 표로 정리해라
원자의 구조 안에 존재하는 전자, 원자핵, 양성자, 중성자 각각의 특징들을 정리하겠습니다.
원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있습니다.
이 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉩니다.
양성자와 중성자 그리고 전자의 질량을 비교해봅니다.
양성자와 중성자의 질량을 1이라고 했을 때 전자의 질량은 거의 없습니다.
전자의 전하량을 -1 이라고 했을 때 양성자의 전하량은 +1 입니다.
이 특징들을 꼭 표로 정리하면 기억하기 쉽습니다.
평균 원자량
화학1에서 난이도가 준킬러로 상승하고 있는 평균 원자량입니다.
우리는 원자들을 보면, 양성자가 몇 개인지, 중성자가 몇 개인지 전자가 몇 개인지 알 수 있습니다.
이 것들을 이제 기호로 나타내 볼 것입니다.
일단 원자 번호의 순서는 양성자 수로 합니다.
원자 번호 6번이다 = 양성자 수는 6개라는 것입니다.
그런데 원자는 중성이므로 당연하게 전자도 6개라는 것을 알 수 있습니다.
중성자 수는 어떻게 알 수 있을까요?
질량수라고 원자의 무게를 재봅니다.
그럼 질량이 1인 양성자와 중성자를 합한 무게만큼 질량수가 나옵니다.
여기 원자번호(=양성자 수)를 빼면 중성자 수가 나오는 것입니다.
이렇게 구한 숫자, 질량수는 원소기호 왼쪽 위, 원자 번호는 원소기호 왼쪽 아래에 표기합니다.
쉽죠?
여기서 문제를 내보겠습니다.
그럼 모든 원소는 원자 무게(=질량수)가 같은까요?
아닙니다.
같은 탄소(C)라도 무게가 12인 ¹²C, 무게가 13인 ¹³C가 존재합니다.
¹²C는 양성자와 중성자가 6개이고, ¹³C는 양성자가 6개, 중성자가 7개입니다.
같은 탄소인데 무게가 다른 탄소인 것입니다.
우리는 이것을 동위원소라고 부릅니다.
원자번호(=양성자 수)는 같은데 중성자 수가 달라서 질량수가 다른 원소 관계입니다.
그래서 어떤 원소의 원자량이 몇이라고 단정 지을 수 없습니다.
왜냐하면 자연상에 존재하는 탄소가 ¹²C도 있고, ¹³C도 있을 수 있습니다.
그래서 우린 평균 원자량이라는 말을 사용합니다.
만약 ¹²C와 ¹³C의 비율이 1:1로 존재하면, 평균 원자량은 12.5가 됩니다.
¹²C와 ¹³C의 비율이 3:1로 존재하면, 평균 원자량은 12.25가 됩니다.
화학1 원자의 구조 정리
지금까지 전자(Electron), 원자핵(Atomic nucleus), 양성자(Proton), 중성자(Neutron), 원자번호, 질량수, 평균 원자량에 대해서 알아봤습니다.
이 단원은 용어들의 차이점을 정확히 알고 있는 것이 매우 중요합니다.
평균 원자량이 조금 어렵지만 문제는 크게 어렵지 않습니다.