원자와 원자 구조에 대해 설명해주세요. 원자는 어떻게 구성되어 있으며, 원자 번호와 질량에 대한 개념을 알려주세요.
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
원자핵과 핵 바깥의 전자를 구성요소로 하는 원자의 내부구조이다. 이 때, 핵 바깥의 전자의 상태는 오비탈함수로 주어진다. 전자의 에너지준위는 다양하지만 보통 바닥상태를 기준으로 원자구조를 표현하며, 전자의 양자역학적 상태는 주양자수, 방위양자수, 자기양자수와 스핀양자수의 조합으로 결정된다.
원자의 구조
보통은 원자핵을 ＋Ze(Z는 원자번호, e는 전기소량)의 전하를 가지는 점전하(點電荷)로 보고, 이것이 만든 정전기장 속에 Z개의 핵외전자가 운동한다고 본다. 따라서 원자구조는 핵외전자의 양자역학적 상태, 즉 파동함수 또는 오비탈함수로 주어진다.
간단하게는 각각의 전자가 핵과 다른 전자들이 만들어내는 평균적인 중심력장(中心力場) 안을 독립적으로 운동한다는 근사 개념을 써서, 이와 같은 1전자준위로서 가능한 준위(원자오비탈함수)를 에너지적으로 낮은 준위로부터 차례로 차지해나간 경우의 Z개인 전자의 상태배치의 전체로서 구조를 나타내는 방법이다. 따라서 보통 표시되는 원자구조는 그 원자의 바닥상태에 대응하는 전자배치로 되어 있다.
원자 내와 같은 중심력장 안에서의 전자의 양자역학적 상태는 정수값을 취하는 3종류의 양자수(量子數), 즉 주(主)양자수 n, 방위(方位)양자수 l, 자기(磁氣)양자수 m과 반정수(半整數)인 스핀양자수 s의 조합으로 결정된다. 단, n은 1, 2, 3,…인 자연수이며, 이 n에 대하여 다른 양자수가 취할 수 있는 양·음의 정수값의 범위는 각각 0≤l≤n－1, －l≤m≤l, s＝±1/2이다.
이들 전자의 에너지는 대체로 n과 l만으로 결정된다. n과 l이 결정된 상태, 즉 동일에너지 준위에 있으면서 m과 s가 다른 상태의 수는 2(2l＋1)개 있으며, 이들을 (n, l)각이라 한다. (n, l)각에 속하는모든 상태, 즉 2(2l＋1)개의 상태에 전자가 1개씩 다 들어간 상태를, 전자가 폐각을 이룬다고 한다. (n, l)각의 표시는 관습에 의해 n은 1, 2, 3,…으로 l은 0, 1, 2, 3,…에 대해 s, p, d7 f7…로 쓰는 것이 보통이다. 따라서 (1, 0)각은 1s로, (2, 0)각은 2s, (2, 1)각은 2p, (3, 0)각은 3s, (3, 1)각은 3p, (3, 2)각은 3d, (4, 0)각은 4s 등으로 표시한다. 원자의 바닥상태는 4개의 양자수, n, l, m, s에 의하여 정해진다.
그리고 한 양자상태에는 1개의 전자만이 들어갈 수 있다는 파울리의 배타원리에 의해 가장 낮은 에너지준위부터 차례로 1개씩의 전자를 넣어 줌으로써 얻어진다. 따라서 일반적으로 원자구조는 몇 개의 폐각구조와 미완성인 전자각에 의해 구성되어 있다. 그 기법으로는 순서대로 한 줄로 늘어놓은 전자각의 어깨에 그 각 속에 들어 있는 전자수를 작게 쓰고 있다.
11개의 핵외전자를 가지는 나트륨원자의 구조는 (1s)２(2s)２(2p)６(3s)１로 쓰게 된다. 실제로 원자스펙트럼의 연구에서 추측되는전자의 에너지준위를 채우는 방법에는 이와 같은 순서가 맞지 않을 때가 있다. 예컨대, 4s각에 3d각보다 전자가 먼저 들어간다거나 5s각에 4f각보다 먼저 들어간다든지 한다.
이것을 고전적인 전자오비탈의 모형으로 설명한다면, n이 같으나 l이 큰 오비탈은 오비탈의 장축이 같으나 이심률(離心率)이 커져서 다른 전자오비탈을 관통하여 핵에 접근하기 때문에, 핵의 강한 인력을 받게 되어 낮은 에너지가 된다는 것이다.
원자 번호란 주기율표(periodic table)에서 각 원소마다 주어진 원소 고유의 순번으로 원자 번호 1번 수소(Hydrogen, H), 2번 헬륨(Helium, He)부터 117번 테네신(Tennessine, Ts), 118번 오가네손(Oganesson, Og)에 이른다. 원자 번호는 주어진 원자의 원자핵 내 양성자 수(
Z
)와 같으며 원자는 전기적으로 중성이므로 원자가 갖는 전자의 수와도 정확히 일치한다. 원자의 원자 번호(
Z
)와 중성자의 수(
N
)를 알면 해당 원자의 질량수(
A
)를 알 수 있으며, 이때 질량수
A
=
원자 번호
Z
+
중성자 수
N
이다. 원소의 기원을 이해하는데 있어 원자량보다 원자 번호가 기본이 되는데, 실제로 어떤 원소의 원자량은 정수보다 약간 크고, 또 어떤 원소의 경우 정수보다 약간 작다(즉, 원자량은 정수가 아니다). 이는 원소가 생성되는 핵융합 과정(수소 2개와 중성자 2개 융합을 통해 4He → C → O →Ne → Mg ... → Fe)에서 질량 일부가 에너지로 바뀌기 때문으로 주기율표상에서 수소에서 철로 가면서 원자량 값은 약간 크다가 점점 정수 이하로 내려가고 핵이 가장 안정한 철을 지나서는 정수로 다시 접근한다. 동위원소(isotope)는 원자핵 내 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 달라 질량수가 다른 원소 사이의 관계를 나타내며, 동위원소는 서로 양성자의 수가 같고 원자 번호는 양성자의 수로 결정되므로 동위원소는 서로 같은 원자 번호를 갖는다.
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