[원자의 구조와 주기성] 원자의 구조에 대한 현대의 실험들 - 2부

러더포드의 원자모델

톰슨의 원자모델을 검증하기 위하여 러더포드(Ernest Rutherford; 1871-1937)는 원자핵 붕괴 과정에서 얻어지는 알파선(전하가 +2이며 질량이 전자의 7300배인 입자들의 흐름)을 그림 3에 보인 것과 같이 금의 얇은 박막에 산란시키는 실험을 하였다.

그림 3. 알파 입자를 금의 박막에 산란시킨 러더포드의 실험.

톰슨 모델로이 올바르다면 그림 4의 왼쪽에 나타낸 예측되는 것처럼 알파선은 거의 직선으로 통과하여야 한다. 그러나 실제 실험에서는 알파선의 일부분이 큰 각도로 휘어지거나 반발하였다. 이 그림 4의 오른쪽에 보인 것처럼 놀랍게도 원자내의 양전하들은 매우 작은 공간에 모여 있고, 원자 내부의 거의 대부분은 빈 공간이며 그 공간을 아주 작은 전자들이 운동하는 것으로 해석하여야만 한다. 즉 원자핵의 존재가 밝혀졌다.

그림 4. 왼쪽은 톰슨의 원자모델에 따라 예상되는 실험 결과인 반면 오른쪽은 실제의 실험 결과를 설명하는 모델이다.

러더포드는 이러한 실험 사실을 바탕으로 뉴턴의 고전역학 개념에 따라 아주 무거운 원자핵 주위를 아주 가벼운 전자들이 정해진 궤도를 따라 돌아가는, 즉 태양계의 모양과 유사한 원자 모델이 제시하였다. 그러나 전하를 띈 전자가 원운동하면 속도가 변하고, 전자기학 이론에 의하면 그에 따라 전자기 복사파의 형태로 내부 에너지가 방출된다.

내부 에너지가 줄어들게 되면 전자의 원운동 에너지가 감소하고, 따라서 양성자의 인력에 의하여 전자는 원자핵으로 점점 끌려 들어가서 결국엔 원자핵에 흡수되어야 하기 때문에 원자가 안정한 상태를 유지할 수 없게 된다. 즉 러더포드의 모델은 알파선 산란실험을 설명할 수는 있지만 원자의 고유한 안정성을 설명할 수 없었다. 러더포드의 원자모델이 가지는 이러한 한계를 극복하기 위한 여러 가지 노력이 있었지만 모두 만족스럽지 않았다.

원자를 구성하는 입자들과 원소기호

보다 정확한 원자의 모습은 다음에 더 자세히 살펴보기로 하고, 우선 러더포드 이후에 추가로 밝혀진 여러 가지 사실들을 바탕으로 원자의 모습을 간단하게 정리하면 다음과 같다. 우선 원자는 원의 중심에 있는 원자핵(Nucleus)과 원자핵 주변에 존재하는 전자들로 이루어져 있으며 원자 질량의 거의 대부분은 원자핵에 모여 있다.

그러나 원자핵 자체의 크기는 원자 전체의 크기에 비하면 무시할 정도로 작다. 반면에 원자가 차지하는 공간은 거의 대부분이 빈 공간이며, 구름처럼 표현되는 파동의 상태로 존재하는 전자들이 그 빈 공간을 채우고 있다. 그러나 전자들의 전체 질량은 원자 전체 질량의 극히 일부분에 불과하다. 

원자는 지름이 약 10-10cm인 구 안에서 운동하고 있는 전자들과 그 구의 중심에 있는 지름이 약 10-16cm인 원자핵으로 이루어져 있다. 비유를 들어 설명하면, 원자의 크기를 커다란 운동장 정도로 확대하였을 때, 원자핵은 운동장의 한 가운데에 놓인 탁구공 정도의 크기이며, 운동장의 나머지 공간에는 눈에 보이지도 않을 정도로 옅은 구름과 같은 상태로 전자들이 퍼져서 존재한다. 그림 5은 이러한 원자 모습을 개략하여 보여주고 있다.

그림 5. 원자와 원자핵의 상대적인 크기, 그리고 전자의 분포 상태를 나타내는 그림.

한편 극히 좁은 원자핵의 내부에는 양의 전하를 띄고 있는 양성자(Proton)들 뿐만 아니라 양성자와 질량이 거의 비슷한 중성자(Neutron)들도 함께 존재한다는 것이 밝혀졌다. 그러나 중성자는 전하를 가지지 않기 때문에 원자핵의 전체 전하는 원자핵 속에 포함된 양성자의 수에 의하여 결정된다. 원자 자체가 중성이 되기 위하여 원자핵 주변에 존재하는 전자들의 총 수는 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수와 같아야 한다. 즉 원자핵에 들어있는 양성자의 수가 중성 원자 속에 포한된 전자의 수를 결정하게 된다. 표 1에는 전자, 양성자, 중성자의 전하와 질량이 나타나 있다. 

표 1 전자(Electron), 양성자(Proton), 중성자(Neutron)의 전하와 질량.

원자의 화학적 성질들은 전자의 수에 의하여 결정되는데, 중성 원자에서 전자의 수는 원자핵 속에 있는 양성자의 수와 같기 때문에 결국 양성자의 수가 원자의 특성을 결정하는 주요 요인이 된다. 따라서 양성자의 수를 원자 번호(Atomic Number)라 부르며 Z로 표시한다. 한편 표 1에 나타난 것처럼 전자의 질량은 양성자나 중성자에 비하여 매우 적으며 양성자와 중성자의 질량은 서로 비슷하기 때문에 결국 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수와 중성자의 수가 원자 전체의 질량의 대부분을 결정하게 된다.

따라서 양성자의 수와 중성자의 수를 합한 값을 질량수(Mass Number)라 부르며 A라는 기호로 표시한다. 보통 원자번호는 원소의 종류를 나타내는 원소기호(Atomic Symbol, X)의 왼쪽 아래 첨자로 표시하고 질량수는 왼쪽 위 첨자로 표시하여 AZX의 형태로 표시한다. 예를 들어 자연에서 가장 흔하게 발견되는 탄소와 질소 원자는 각각 126C와 147N로 표시한다. 

한편 양성자의 수는 동일하여 화학적 성질이 똑같은 동일한 원소이면서도 원자핵 속에 들어있는 중성자의 수가 서로 다른 원자들이 존재하는데 이것을 동위원소(Isotope)라 부른다.

보통의 수소는 양성자가 하나인 원자핵 주변을 운동하는 전자 하나로 구성되어 있으며 프로튬(Protium)이라고도 부르며 11H로 표시된다. 그러나 원자핵에 양성자 하나 뿐만 아니라 중성자도 하나가 들어가 있는 중수소(Deuterium)와 중성자가 2개 들어가 있는 삼중수소(Tritium)가 아주 적은양이기는 하지만 자연계에 존재하며 이들은 각각 21H=D와 11H=T로 표시한다.

또 다른 예를 들면 자연에서 보통 발견되는 산소는 양성자가 8개이고 중성자도 8개인 168O이지만, 아주 드물게 발견되는 산소의 동위원소로는 178O와 188O가 있는데 이들 동위 원소에서 양성자의 수는 모두 8개이지만 중성자가 각각 9개와 10개씩 다르게 포함되어 있다. 중요한 사실은 원소의 화학적인 성질은 원자번호 즉 양성자의 수에 의하여 결정되기 때문에 산소의 동위원소 세 가지는 모두 화학적으로 동일하다.

(예제 1) 2311Na 원자에는 양성자, 중성자, 전자가 각각 몇 개씩 들어 있는가?

(풀이) 양성자는 11개있으며, 질량수 23에서 양성자 수 11을 뺀 12개의 중성자가 들어있다. 또한 중성 원자 전체의 전하는 영이기 때문에 음의 전하를 가지는 전자의 수는 양의 전하를 가지는 양성자의 수와 같아야 한다. 따라서 전자의 수는 11개다.

(예제 2) 산소의 원자번호는 8번이고 자연계에서 가장 흔하게 발견되는 산소의 동위원소에는 중성자가 8개 들어있다. 그렇다면 이 경우에 O-2 음이온에는 양성자와 전자가 각각 몇 개씩 들어 있는가? 또 질량수는 얼마인가?

(풀이) 양성자의 수와 원자번호는 같기 때문에 양성자는 8개 존재한다. 한편 이온의 전체 전하가 -2이기 때문에 전자는 양성자의 수보다 두개가 많은 10개가 존재한다. 한편 양성자와 중성자의 수를 더하면 질량수이기 때문에 질량수는 16이다. 이 결과를 모두 포함하여 기호로 표시하면 168O-2이 된다.

한편 원소의 종류는 원소기호 X를 사용하여 나타내는데 이 원소기호는 원소의 이름을 나타내는 라틴어 또는 영어 단어의 첫 글자 또는 단어 안에 있는 중요한 두 글자를 사용하여 나타낸다. 탄소(Carbon)는 C로, 산소(Oxygen)는 O로, 수소(Hydrogen)는 H로 나타내는 것처럼 첫 글자 하나만으로 나타낼 때는 대문자 하나를 사용한다.

그러나 니켈(Nickel)을 Ni로, 네온(Neon)을 Ne로 나타내는 것처럼 두개의 알파벳으로 하나의 원소를 나타낼 때는 두 번째 알파벳을 반드시 소문자로 써야 한다. 예를 들어 CO는 탄소와 산소 두 가지 원소로 이루어진 화합물을 나타내는 반면에 Co는 코발트 원소 한 가지를 나타내는 것처럼 두 번째 글자가 대문자인지 소문자인지에 따라 완전히 다른 물질을 나타내기 때문에 원소기호를 사용할 때는 대문자와 소문자를 올바르게 구별하여 써야한다. 

주석(Tin)이나 납(Lead)의 경우에는 영어 철자와는 무관하게 라틴어 이름의 철자를 따서 각각 Sn과 Pb를 원소기호로 사용한다. 한편 나트륨 경우에 영어로는 소듐(Sodium)이지만 우리말에서는 원래의 라틴어 이름(Natrium)을 사용하기 때문에 Na를 원소기호로 사용하는 것이 쉽게 이해될 수 있다.

오래전부터 알려져 왔던 물질의 원소들은 위와 같이 그 물질에 대하여 이미 사용하여 왔던 이름을 바탕으로 원소기호를 결정하였지만, 그때까지 전혀 알려지지 않았던 물질의 원소를 발견하였을 때는 발견한 사람이 살고 있던 국가나 도시의 이름 또는 다른 저명한 과학자의 이름을 따서 원소기호를 정하기도 하였는데, 게르마늄(Ge, 독일), 프란슘(Fr, 프랑스), 스칸디움(Sc, 스칸디아비아), 켈리포니움(Cf, 미국 켈리포니아주), 노벨리움(No, 노벨), 아인쉬테니움(Es, 아인쉬타인) 등이 그러한 예들이다.

앞에서 일정성분비를 공부하였는데, 원소기호를 사용하면 화합물에 어떤 원소들이 어떤 비율로 포함되어 있는지를 H2O, N2O6, NaHCO3등과 같이 간단하게 나타낼 수 있으며 이러한 것들을 화학식이라고 부른다.

(예제 3) 술의 주 성분인 에탄올은 탄소원자 2개, 수소원자 6개, 산소원자 1개의 비율로 이루어져 있다. 에탄올의 화학식을 쓰라. (풀이) C2H6O

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