전자, 양성자, 중성자
세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있어요. 오랫동안 사람들은 원자를 더 쪼갤 수 없다고 생각했어요. 그러다 과학자들이 원자 안에서 더 작은 입자들을 찾아냈어요.
- 전자(e⁻): 1897년 J. J. 톰슨이 발견했어요. 전하는 −1이에요. 아주 가벼워서 질량이 양성자의 약 1/1836이에요. 원자핵 바깥을 움직여요.
- 양성자(p⁺): 양극선을 연구하다 발견했어요(E. 골트슈타인, 1886년). 전하는 +1이고, 질량은 약 1 u예요.
- 중성자(n): 1932년 J. 채드윅이 발견했어요. 전하가 없어요. 질량은 약 1 u로, 양성자보다 아주 조금 더 커요. 보통의 수소만 빼면 모든 원자에 중성자가 있어요.
원자에서는 양성자 수와 전자 수가 같아요. +와 −가 서로 상쇄되어서 원자 전체는 전하가 없어요(중성이에요).
원자 모형: 톰슨, 러더퍼드, 보어
톰슨의 모형
톰슨은 원자가 양전하로 된 공이라고 했어요. 전자는 수박씨처럼 그 안에 박혀 있어요. 양전하와 음전하의 양이 같아서 원자는 중성이에요. 문제점: 러더퍼드의 실험 결과를 설명하지 못했어요.
러더퍼드의 알파 입자 실험
러더퍼드는 아주 얇은 금박에 빠른 알파 입자(헬륨 원자핵, 전하 +2)를 쏘았어요. 그리고 세 가지를 관찰했어요.
- 대부분의 알파 입자는 곧장 지나갔어요. 그래서 원자의 대부분은 빈 공간이에요.
- 일부는 작은 각도로 휘었어요. 그래서 원자 안에 알파 입자를 밀어내는 양전하가 있어요.
- 아주 적은 수(약 12,000개 중 1개)는 곧장 되튕겨 나왔어요. 그래서 양전하 전부와 질량 거의 전부가 아주 작은 중심, 즉 원자핵에 모여 있어요.
그의 모형은 이래요. 작은 양전하의 원자핵이 있고, 행성이 태양 둘레를 돌듯이 전자가 그 둘레를 돌아요. 원자핵은 원자보다 약 100,000배 작아요. 문제점: 전하를 띤 입자가 원을 그리며 움직이면 에너지를 잃고 원자핵으로 떨어져야 해요. 그러면 원자는 안정하지 못해요. 하지만 실제 원자는 안정해요.
보어의 모형
닐스 보어가 이 문제를 풀었어요. 그는 전자가 정해진 궤도, 즉 껍질(에너지 준위)에서만 움직일 수 있다고 했어요. 껍질에 있는 동안 전자는 에너지를 잃지 않아요. 껍질은 안쪽부터 바깥쪽으로 K, L, M, N(또는 n = 1, 2, 3, 4)이라고 불러요.
K, L, M, N 껍질: 전자는 어떻게 배치될까
처음 20개 원소에 쓰는 규칙이에요(보어-버리 방식).
- n번째 껍질에는 최대 2n²개의 전자가 들어가요. K(n=1) = 2, L(n=2) = 8, M(n=3) = 18, N(n=4) = 32.
- 가장 바깥 껍질에는 전자가 8개를 넘을 수 없어요.
- 안쪽 껍질부터 먼저 채워요. 앞 껍질이 가득 차야 새 껍질이 시작돼요(처음 20개 원소의 경우).
예: 탄소(6) = 2, 4. 나트륨(11) = 2, 8, 1. 염소(17) = 2, 8, 7. 칼슘(20) = 2, 8, 8, 2. 3D의 4단계를 열면 나트륨의 껍질이 하나씩 채워지는 모습을 볼 수 있어요.
원자가, 원자 번호, 질량수
원자가
가장 바깥 껍질에 있는 전자를 원자가 전자라고 해요. 원자는 바깥 껍질을 가득 채우고 싶어 해요(8개, 헬륨은 2개). 이것을 옥텟이라고 해요. 네온이나 아르곤처럼 바깥 껍질이 가득 찬 원자는 반응하지 않아서 원자가가 0이에요.
원자가 = 원자의 결합하는 힘 = 바깥 껍질을 가득 채우려고 전자를 내놓거나, 받거나, 함께 쓰는 개수.
- 바깥 전자가 1~4개이면: 원자가 = 바깥 전자의 수. 나트륨(2, 8, 1) → 1. 마그네슘(2, 8, 2) → 2.
- 바깥 전자가 5~7개이면: 원자가 = 8 − 바깥 전자의 수. 산소(2, 6) → 8 − 6 = 2. 염소(2, 8, 7) → 1.
원자 번호(Z)
원자핵 속 양성자의 수예요. 이것이 원소를 정해요. 모든 탄소 원자는 Z = 6이에요. 중성 원자에서는 전자 수 = Z예요.
질량수(A)
양성자와 중성자를 합쳐서 핵자라고 해요. 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수. 그래서 중성자 수 = A − Z예요. 원자는 ₆¹²C처럼 쓰는데, A는 위에, Z는 아래에 써요.
동위원소와 동중원소
동위원소
같은 원소(Z가 같음)이면서 질량수가 다른(중성자 수가 다른) 원자예요. 수소에는 세 가지가 있어요. 프로튬 ¹H(중성자 0개), 중수소 ²H(중성자 1개), 삼중수소 ³H(중성자 2개). 염소에는 ³⁵Cl과 ³⁷Cl이 있어요.
동위원소는 전자 수가 같아서 화학적 성질이 같아요. 질량이 다르기 때문에 일부 물리적 성질은 달라요.
염소의 원자량이 왜 35.5 u일까요? 자연에서 염소 원자 4개 중 약 3개는 ³⁵Cl이고 1개는 ³⁷Cl이에요. 평균 = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
쓰임: 우라늄-235는 원자로의 연료로, 코발트-60은 암 치료에, 요오드-131은 갑상선종 치료에, 탄소-14는 오래된 물건의 나이를 재는 데 써요.
동중원소
서로 다른 원소(Z가 다름)이면서 질량수가 같은 원자예요. 예: ⁴⁰₁₈Ar과 ⁴⁰₂₀Ca. 전자 수가 달라서 화학적 성질도 달라요.
직접 해 보기: 집에서 원자 만들기
작은 물건을 세 가지 색으로 준비해요. 빨간 구슬(양성자), 검은 콩(중성자), 노란 낟알(전자)이에요. 종이에 K, L, M을 나타내는 원 세 개를 그려요.
- 원소를 하나 골라요. 예를 들어 산소는 Z = 8, A = 16이에요.
- 가운데에 빨간 구슬 8개와 검은 콩 16 − 8 = 8개를 놓아요.
- 노란 낟알 8개를 원 위에 놓아요. K에 2개, L에 6개예요.
- 원자가를 예상해 봐요(8 − 6 = 2). 그다음 3D의 마지막 단계에서 산소-16을 골라 확인해요.
이번에는 검은 콩을 2개 더 놓아 보세요. 동위원소를 만든 거예요! 빨간 구슬의 수가 그대로라서 원소는 바뀌지 않았어요.
핵심 공식과 정의
- 원자 번호 Z = 양성자 수 = 전자 수(중성 원자)
- 질량수 A = 양성자 수 + 중성자 수
- 중성자 수 = A − Z
- n번째 껍질의 최대 전자 수 = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- 원자가 = 바깥 전자 수(1~4개일 때) 또는 8 − 바깥 전자 수(5~7개일 때)
- 평균 원자량 = (동위원소 질량 × 존재 비율)의 합
풀이 예제
1. 어떤 원자에 양성자가 9개, 중성자가 10개 있어요. Z, A, 전자 수를 구하세요.
1단계: Z = 양성자 수 = 9. 2단계: A = 9 + 10 = 19. 3단계: 중성 원자이므로 전자 수 = 9. 이 원소는 플루오린이에요.
2. 산소(Z = 8)의 전자 배치를 쓰고 원자가를 구하세요.
1단계: K에 2개, 남은 것은 6개. 2단계: L에 6개. 그래서 2, 6. 3단계: 바깥 전자는 6개로 4보다 커요. 원자가 = 8 − 6 = 2.
3. 마그네슘은 Z = 12, A = 24예요. 중성자 수, 전자 배치, 원자가를 구하세요.
중성자 수 = 24 − 12 = 12. 전자 배치: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. 바깥 전자는 2개이므로 원자가 = 2.
4. 염소는 Z = 17이에요. 원자가가 7이 아니라 1인 이유는 무엇일까요?
전자 배치는 2, 8, 7이에요. 전자 1개만 더 받으면 8개가 돼요. 7개를 내놓는 것보다 1개를 받는 것이 더 쉬워요. 그래서 원자가 = 8 − 7 = 1.
5. ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca 중 어느 쌍이 동위원소이고 어느 쌍이 동중원소일까요?
¹²C와 ¹⁴C: Z가 같고(6) A가 달라요 → 동위원소. ⁴⁰Ar와 ⁴⁰Ca: A가 같고(40) Z가 달라요 → 동중원소.
6. 원소 X에는 동위원소가 두 가지 있어요. ¹⁶X(90%)와 ¹⁸X(10%)예요. 평균 원자량을 구하세요.
평균 = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. 러더퍼드의 실험에서 알파 입자가 아주 적게만 되튕겨 나온 이유는 무엇일까요?
아주 작은 원자핵에 바짝 다가간 알파 입자만 원자핵의 양전하로부터 큰 힘으로 밀려났어요. 원자핵이 너무 작아서 그렇게 가까이 간 입자가 아주 적었어요. 그래서 되튕겨 나온 입자도 아주 적었어요.
자주 하는 실수
- 원자 번호와 질량수를 헷갈려요. Z는 양성자만 세고, A는 양성자와 중성자를 함께 세요.
- 염소의 원자가를 7이라고 써요. 바깥 전자가 5~7개이면 원자가 = 8 − 바깥 전자 수예요.
- 동위원소는 양성자 수가 다르다고 생각해요. 동위원소는 중성자 수만 다르고, 동중원소는 양성자 수가 달라요.
- 칼륨의 M 껍질에 전자를 18개 넣어요. 처음 20개 원소에서는 가장 바깥 껍질에 최대 8개이므로 칼륨은 2, 8, 8, 1이에요.