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원자의 구조

원자는 가운데에 작고 무거운 양전하의 원자핵이 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있어요. 전자는 K, L, M, N 같은 정해진 껍질을 따라 움직여요. 양성자 수(Z)가 원소의 종류를 정하고, 양성자 수와 중성자 수를 더하면 질량수(A)가 돼요. 가장 바깥 전자가 원자가를 정해요. 동위원소는 Z가 같고, 동중원소는 A가 같아요.

🎬 단계별 이야기

  1. 작은 입자 세 가지를 만나 봐요. 빨간 양성자는 +1, 회색 중성자는 전하가 없고, 파란 전자는 −1이고 아주 가벼워요.
  2. 톰슨의 생각(1904년): 원자는 양전하로 된 공이고, 전자는 수박씨처럼 그 안에 박혀 있어요.
  3. 러더퍼드는 얇은 금박에 알파 입자를 쏘았어요. 대부분은 곧장 지나갔고, 몇 개는 휘었고, 아주 적은 수는 되튕겨 나왔어요. 그래서 가운데에 작고 무겁고 양전하를 띤 원자핵이 있다는 걸 알았어요.
  4. 보어의 생각: 전자는 K, L, M처럼 정해진 껍질에서만 움직여요. 전자가 채워지는 모습을 보세요. 나트륨은 전자가 11개라서 K에 2개, L에 8개, M에 1개가 들어가요.
  5. 가장 바깥 껍질을 보세요. 거기 있는 전자가 원자가 전자예요. 나트륨은 바깥 전자 1개를 내놓기 때문에 원자가가 1이에요.
  6. 이제 직접 해 봐요! 원자를 하나 골라서 양성자, 중성자, 껍질, 원자가를 한 줄씩 확인해 보세요. 탄소-12와 탄소-14(동위원소), 아르곤-40과 칼슘-40(동중원소)도 비교해 보세요.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

전자는 이렇게 가벼운데 왜 중요할까요?

질량은 아주 작지만 전하(−1)는 양성자만큼 커요. 원자가 다른 원자와 어떻게 결합하는지는 전자가 정해요.

톰슨의 수박 모형은 무엇이 틀렸나요?

양전하가 넓게 퍼져 있다면 알파 입자는 절대 되튕겨 나오지 않아요. 러더퍼드는 되튕겨 나오는 입자를 보았어요. 그래서 양전하는 작은 원자핵에 모여 있어야 해요.

왜 대부분의 알파 입자가 금박을 곧장 지나갔나요?

원자의 대부분은 빈 공간이기 때문이에요. 원자핵은 원자보다 약 100,000배 작아서, 대부분의 입자는 원자핵 근처에도 가지 않아요.

전자는 왜 원자핵으로 떨어지지 않나요?

보어는 전자가 정해진 껍질에 있고, 껍질 안에서는 에너지를 잃지 않는다고 했어요. 그래서 계속 움직이고 떨어지지 않아요.

염소의 원자가가 왜 7이 아니라 1일까요?

염소는 2, 8, 7이에요. 8개를 채우려고 전자 1개를 받는 것이 7개를 내놓는 것보다 훨씬 쉬워요. 그래서 원자가 = 8 − 7 = 1이에요.

동위원소는 중성자 수가 다른데, 서로 다른 원소일까요?

아니에요. 원소는 양성자 수(Z)로만 정해져요. 탄소-12와 탄소-14는 둘 다 양성자가 6개라서 둘 다 탄소예요. 마지막 단계에서 둘 다 해 보세요.

염소의 원자량이 왜 정수가 아니라 35.5일까요?

동위원소 ³⁵Cl(약 75%)과 ³⁷Cl(약 25%)의 평균이기 때문이에요. 35 × 0.75 + 37 × 0.25 = 35.5.

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.

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.

  1. 대부분의 알파 입자는 곧장 지나갔어요. 그래서 원자의 대부분은 빈 공간이에요.
  2. 일부는 작은 각도로 휘었어요. 그래서 원자 안에 알파 입자를 밀어내는 양전하가 있어요.
  3. 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).

  1. n번째 껍질에는 최대 2n²개의 전자가 들어가요. K(n=1) = 2, L(n=2) = 8, M(n=3) = 18, N(n=4) = 32.
  2. 가장 바깥 껍질에는 전자가 8개를 넘을 수 없어요.
  3. 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.

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.

  1. 원소를 하나 골라요. 예를 들어 산소는 Z = 8, A = 16이에요.
  2. 가운데에 빨간 구슬 8개와 검은 콩 16 − 8 = 8개를 놓아요.
  3. 노란 낟알 8개를 원 위에 놓아요. K에 2개, L에 6개예요.
  4. 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

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

연습 퀴즈

1. 전하가 없는 입자는 무엇일까요?
2. 러더퍼드의 실험에서 대부분의 알파 입자가 곧장 지나갔어요. 이것이 보여 주는 것은 무엇일까요?
3. M 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 최대 개수는 얼마일까요?
4. 황(2, 8, 6)의 원자가는 얼마일까요?
5. ⁴⁰Ar와 ⁴⁰Ca는 서로 무엇일까요?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

원자의 구조는 어떻게 생겼나요?

원자는 양성자와 중성자로 된 작은 양전하의 원자핵이 가운데에 있고, 전자가 K, L, M, N 같은 정해진 껍질을 따라 그 둘레를 움직여요(보어 모형).

동위원소와 동중원소는 어떻게 다른가요?

동위원소는 같은 원소의 원자로, 원자 번호는 같고 질량수가 달라요. 동중원소는 서로 다른 원소의 원자로, 질량수가 같아요.

전자 배치에서 원자가를 어떻게 구하나요?

바깥 껍질의 전자 수를 세요. 1~4개이면 그 수가 원자가예요. 5~7개이면 원자가 = 8 − 그 수예요. 바깥 껍질이 가득 차 있으면 원자가는 0이에요.

배우는 곳

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