원자

원자 : 물질을 구성하고 있는 최소 단위이며, 이미 화학적인 방법으로는 더이상 세분할 수 없는 입자

 

원자의 구조

원자(atom) = 핵(nucleus) + 전자(electron)

전자는 태양계의 행성처럼 원자핵의 둘레를 돌고 있으며, 이 같은 전자를 궤도 전자라 한다.

 

핵자(necleon) = 양성자(proton) + 중성자(neutron)

양성자의 질량은 전자의 약 1840배

양성자의 전하는 +, 전자의 전하는 - 로써 전기적으로 중성

중성원자는 원자핵 속의 양성자의 수와 궤도전자의 수가 같다.

 

 

종  류	기  호	전  하	무 게 (kg)	원자질량(u)	에너지 (MeV)
양성자	p	+1	1.6726 x 10^-27	1.00727	938.278
중성자	n	0	1.6749 x 10^-27	1.00866	939.571
전자	e	-1	9.1095 x 10^-31	0.00054	0.511

e = 1.602 x 10^-19 C

 

핵종의 종류

A(질량수)

     X

Z(p)    N(n)

양성자의 수를 원자번호(atomic number)라 하고 Z로 나타냄.

중성자의 수를 N로 나타냄.

질량수(mass number)를 A로 하고 A = Z + N으로 나타냄.

 

 핵종(nuclide)의 종류

	Z	N	A	예
동위원소	=	X	X	H-1, H-3
동 중 체	X	X	=	Sr-90, Y-90
동중성자체	X	=	X	Co-59, Ni-60
핵이성질체	=	=	=	Ba-137m

 

양성자 수가 같고, 중성자 수가 다른 원소를 동위원소(isotope)라고 하고 방사능을 가지고 있는 것을 방사성동위원소(RI: radioisotope)라고 한다.

RI 중에는 자연 RI : H-3, C-14, K-40, Rn-224, Ra-226, U-238

              인공 RI : S-35, Co-60, Cs-137 등이 있다.

 

원자의 크기

원자는 여러개의 전자궤도를 가질 수 있으며, 그 궤도의 반지름은 주양자수(principal quantum number) n으로 결정된다.

안쪽 부터 K각 (n = 1), L각 (n = 2), M각 (n = 3), ... 이라 하며 원자의 크기는 전자궤도의 최대반지름으로 결정된다.

각 궤도에 들어갈 수 있는 허용전자 수 = 2n^ 개

 

r = 0.53 x n^ A (10^-10m)

 

원자핵의 크기는, 원자의 약 10^-15m(fm)

R = 1.2 x A^1/3 fm

 

                                                                                         

전리(ionization)와 여기(excitation)

전자궤도에는 각각의 반지름에 맞는 에너지준위(energy level)가 존재하며 K -> L -> M -> ... 으로 궤도 반지름이 커짐에 따라 에너지 준위도 높아진다.

원자내의 궤도 전자는 각각 에너지준위가 정해진 궤도에 있으며 안정하다. 이러한 상태를 기저(ground) 또는 바닥 상태라 한다.

 

빛이나 열 등으로 원자를 자극시키면, 궤도전자의 일부는 에너지 준위가 더 높은 상태로 옮아가고 이를 여기라 한다.

일반적으로 여기 상태는 불안정하기 때문에, 10^-8 초 정도에 바깥쪽의 전자는 빈자리인 안쪽 궤도로 간다. 이와 같은 궤도사이의 이전현상을 전이(transition)라 부르며 전이할 때 여분의 에너지가 빛, 자외선, X선 전자기파 에너지로 방출된다.

 

원자핵과 궤도전자는 서로 인력과 원심력의 균형으로 원운동을 한다. 이때, 궤도전자가 원자핵과의 결합에너지 이상의 에너지를 받게 되면 궤도전자는 원자핵 결합력을 벗어나 자유전자가 된다. 이 현상을 전리(ionization)이라 한다.