현대의 원자론

 최근 200년 안에 과학자들은 모든 물질이 원자로 이루어져 있다는 사실을 알아냈다. 그리고 원자에 대해 더 많은 사실들을 알아냈다. 돌턴이 주창한 더이상 나눌 수 없는 작은 입자라는 모호한 개념을 이제는 원자 핵과 전자로 이루어진 내부 구조를 가진 원자라는 개념이 되었다.

---

현대의 원자 모형

원자atom는 전기적으로 중성이고 구형인 입자로 양전하를 띠고 있는 원자핵과 한 개 이상의 음전하를 띠는 전자로 둘러싸여 있다.

[헬륨 원자, 1Å은 100pm와 같다.]

핵의 인력에 의해 잡혀 있는 전자들은 원자 안에서 가능한 영역을 빠르게 움직이고 있다. 핵은 밀도가 매우 큰데, 원자 질량의 99.97%를 차지하면서 부피는 10조분의 1만큼을 차지하기 때문이다.

양성자 한개로 구성되어 있는 ¹H를 제외하고 모든 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 양성자proton(p⁺)는 양전하를 가지고 중성자neutron(n⁰)는 전하를 띠지 않는다. 원자핵의 양전하는 양성자에서 유래한다. 양성자가 가지고 있는 전하량의 크기는 전자electron(e^-)의 전하량의 크기와 같고 부호만 반대이다.

이름(기호)	전하		질량		원자 속 위치
	상대값	절대값(C)	상대값(amu)	절대값(g)
양성자(p+)	+1	+ 1.60218 × 10-19	1.00727	1.67262 × 10-24	핵
중성자(n0)	0	0	1.00866	1.67493 × 10-24	핵
전자(e-)	-1	- 1.60218 × 10-19	0.00054858	9.10939 × 10-28	핵 바깥

1amu는 원자 질량 단위(atomic mass unit)로 1.66054 × 10^-24 g 이다.

---

 원소의 원자 번호,Z는 원자 핵에 있는 양성자 수이다. 양성자 수가 같다면 원자 번호가 같고 같은 원소이다. 모든 원소는 다른 원소들과 구별되는 원자 번호를 가진다. 탄소 원자의 핵에는 6개의 양성자가 있고 탄소는 6번이다. 산소는 8개의 양성자를 가지고, 8번이다. 현재 114개의 원소가 알려져 있고, 90개는 천연에서 발견되며, 24개는 핵 과학자들이 인공적으로 합성한 것이다.

 한 원자의 핵에 있는 양성자와 중성자의 수를 질량수mass number, A라고 한다. 양성자와 중성자는 질량수에 각각 한 단위씩 기여를 한다. 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지는 탄소의 질량수는 12이고, 핵에 양성자 92개와 중성자 146개를 가지는 우라늄의 질량수는 238이다.

 핵 질량수와 전하는 원자 기호(원소 기호)atomic symbol과 함께 쓴다. 수소Hydrogen는 H, 탄소carbon는 C, 산소oxygen는 O, 황Sulfur는 S, 소듐Sodium은 Na이다. 원자 번호Z는 왼쪽 아래첨차로 쓰고, 질량수A는 왼쪽 위첨자로 쓴다. 따라서 원소 X에 대해서 다음과 같이 표기한다.

 염소는 로 표시하게 된다면, A=35, Z=17 임을 알 수 있고 중성자 갯수N은 N=35-17=18 임을 알 수 있다. 그런데 원소 기호가 정해지면 양성자 갯수는 결정되기 때문에 질량수 12인 탄소는 원자번호Z는 표시하지 않고 ¹²C로 쓴다. 다른 표현방법으로는 탄소-12, carbon-12 라고 쓴다.

 이렇게 질량수를 표시하는 이유는 양성자의 수가 같더라도 중성자의 수가 다른 동위원소isotope가 있기 때문이다. 동위원소란 중성자 수가 다른 원자인데, 양성자의 수가 같기 때문에 같은 원소이다. 6개의 양성자를 가진 탄소의 98.89%가 6개의 중성자를 가지고, 1.11%로 7개의 중성자를 가지고, 0.01% 이하로 8개의 중성자를 가진다. 이것들은 자연계에 존재하는 탄소의 동위원소 ¹²C, ¹³C, ¹⁴C이다. 다른 탄소의 동위원소 ⁹C, ¹⁰C, ¹¹C, ¹⁵C, ¹⁶C는 실험실에서 만들어졌다.

 원자의 질량은 표준이 되는 원자이 질량에 대한 상대값으로 표현된다. 현재 원자 질량 표준은 ¹²C이다. ¹²C의 질량은 정확히 12amu이다. 따라서 1amu는 ¹²C 원자의 질량의 1/12 이다. 이 표준에 따르면 ¹H의 질량은 1.008amu가 된다. 여기서 amu라고 쓴 단위는 atomic mass unit으로 현재는 돌턴,dalton,Da 이라는 단위로 바뀌었다. ¹²C 원자 한개의 질량은 12Da가 된다.

 그런데 주기율표에서 보이는 탄소의 질량은 12.01이다. 정확히 12가 아니다. 그 이유는 지구에서 발견되는 동위원소의 비를 감안하여 무게를 정한 것이다. 예를 들어 염소는 ³⁵Cl와 ³⁷Cl이 지구에서는 약 75%와 25% 로 존재한다. 따라서 지구에서 염소를 구하면, 특별히 동위원소를 분리해서 사용하지 않는한 염소-35와 염소-37이 3:1의 비율로 되어 있다. 이때 염소의 무게는 이 두 동위원소의 비를 생각해줘야 하므로 35×0.75 + 37×0.25 = 35.45 가 된다. 주기율표에서 볼 수 있는 원소의 무게는 이처럼 지구에서 발견할 수 있는 동위원소의 비를 감안하여 정한 것이다.