원자란 무엇인가요
원자는 물질의 가장 작은 입자로, 단독으로 존재하거나 다른 원자와 결합하여 분자를 형성할 수 있는 입자입니다.
1808년 유명한 영국의 화학자, 물리학자, 기상학자인 존 돌턴은 그의 원자 이론을 발표했습니다. 당시 많은 미해결 화학 현상들이 돌턴의 이론으로 빠르게 설명되었습니다. 따라서 이 이론은 화학의 이론적 기초가 되었습니다. 돌턴의 원자 이론의 가설은 다음과 같습니다.
모든 물질은 원자라고 불리는 작고 분할 불가능하며 파괴 불가능한 입자들로 구성되어 있습니다.
같은 원소의 모든 원자는 동일한 특성을 가지지만 다른 원소의 원자들과는 다릅니다.
다른 원소의 원자들은 함께 결합하여 화합물을 형성합니다.
화학 반응은 이러한 원자의 재배열일 뿐입니다.
어떠한 방법으로도 원자를 생성하거나 파괴할 수 없습니다.
돌턴의 이론에는 몇 가지 단점이 있었는데, 오늘날 우리는 원자가 파괴될 수 있다는 것을 알고 있습니다. 또한 같은 원소의 일부 원자는 질량이 다르며(동위 원소), 이 이론은 동소체의 존재를 설명하지 못합니다.
하지만 현대적인 원자 개념은 루더퍼드의 원자 모델과 보어의 원자 모델의 장점을 결합한 것입니다. 모든 물질은 원자로 구성되며, 모든 원자는 다음과 같이 구성됩니다,
핵
전자
원자의 핵
원자의 중심에 핵이 위치해 있습니다. 핵의 지름은 전체 원자의 지름의 약 1/10000입니다. 원자의 대부분의 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 핵 자체는 두 종류의 입자로 구성됩니다,
프로톤
중성자
프로톤
프로톤은 양전하를 가진 입자입니다. 각 프로톤의 전하는 1.6 × 10-19 쿨롱입니다. 원자 핵 내의 프로톤 수는 원자의 원자 번호를 나타냅니다.
중성자
중성자는 어떠한 전기적 전하도 가지고 있지 않습니다. 즉, 중성자는 전기적으로 중성인 입자입니다. 각 중성자의 질량은 프로톤의 질량과 같습니다.
양전하를 가진 프로톤의 존재로 인해 핵은 양전하를 띱니다. 어떤 물질에서도 원자의 무게와 방사능 속성은 핵과 관련이 있습니다.
전자
전자는 원자 내에서 음전하를 가진 입자입니다. 각 전자의 전하는 – 1.6 × 10 – 19 쿨롱입니다. 이러한 전자들은 핵 주변을 둘러싸고 있습니다. 원자 내의 전자에 대한 몇 가지 사실들은 아래에 나열 및 설명되어 있습니다,
원자가 같은 수의 프로톤과 전자를 가진 경우, 전자의 음전하가 프로톤의 양전하를 중성화하여 원자는 전기적으로 중성이 됩니다.
전자는 껍질(또는 궤도) 안에서 핵 주변을 회전합니다.
양전하를 가진 핵은 음전하를 가진 전자에게 인력을 행사합니다. 이 인력은 전자가 핵 주변을 회전하기 위해 필요한 중심력 역할을 합니다.
핵에 가까운 전자는 핵과 강하게 결합되어 있어, 핵에서 멀리 떨어진 전자보다 원자에서 제거하기 더 어렵습니다.
알루미늄 원자의 구조는 아래의 그림에 표시되어 있습니다-
전자를 그 궤도에서 제거하기 위해서는 일정한 양의 에너지가 필요합니다. 첫 번째 궤도에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지는 외부 궤도에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 많습니다. 이는 핵이 첫 번째 궤도의 전자에 대해 행사하는 인력이 외부 궤도의 전자에 대한 인력보다 훨씬 크기 때문입니다. 마찬가지로, 두 번째 궤도에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지는 첫 번째 궤도보다 적고 세 번째 궤도보다 많습니다. 따라서 우리는 전자들이 특정 양의 에너지와 연관되어 있음을 말할 수 있습니다. 따라서 궤도 또는 껍질은 에너지 수준이라고도 부릅니다.
에너지 수준은 K, L, M, N 등의 문자로 표시됩니다. 여기서 K는 핵에 가장 가까운 궤도이며 가장 낮은 에너지 수준을 가집니다. 반면에 가장 외부의 궤도는 가장 높은 에너지 수준을 가집니다.
각 에너지 수준에서의 최대 전자 수는 '2n2'로 주어집니다. 여기서 n은 정수이며 "주 양자수"를 나타냅니다. 다른 에너지 수준의 n 값과 최대 전자 수는 아래의 표에 나열되어 있습니다
| 순번 | 에너지 수준 또는 궤도 (껍질) | 주 양자수 'n' | 최대 전자 수 (2n2) |
| 1 | K | 1 | 2 × 12 = 2 |
| 2 | L | 2 | 2 × 22 = 8 |
| 3 | M | 3 | 2 × 32 = 18 |
| 4 | N | 4 | 2 × 42 = 32 |
위의 공식 (2n2)은 어떤 껍질에서의 최대 전자 수를 결정하는데 사용되지만, 몇 가지 제한이 있습니다. 가장 외부의 껍질(가장 높은 에너지 수준)의 전자 수는 8을 초과할 수 없습니다. 예를 들어 칼슘 원자를 고려해 보겠습니다. 이 원자는 핵 주변을 도는 20개의 전자를 가지고 있습니다. 위의 규칙에 따른 공식 2n2에 따르면, 전자의 분포는 K 수준에서 2개, L 수준에서 8개, 그리고 나머지 10개의 전자가 남게 됩니다. 그러나 가장 외부의 에너지 수준의 전자는 8개를 초과할 수 없습니다. 따라서 M 수준에는 8개의 전자가 있고, 나머지 2개의 전자는 다음 에너지 수준으로 갈 것입니다. 즉, 2개의 전자가 N 수준으로 갈 것입니다. 칼슘 원자의 전자 구조는 아래의 그림에 표시되어 있습니다-
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