원자 - atom

원자 - atom

원자는 화학 원소를 구성하는 일반 물질의 가장 작은 구성 단위다. 모든 고체, 액체, 가스, 플라즈마는 중성 또는 이온화된 원자로 구성되어 있다. 원자는 매우 작다; 전형적인 크기는 약 100피코미터(1×10-10m, 밀리미터의 천만분의 1 또는 1/254,000,000인치)이다. 그들은 너무 작아서 마치 당구공처럼 고전 물리학을 이용하여 그들의 행동을 정확하게 예측하는 것은 불가능하다. 양자 효과 때문이다. 현재 원자 모델은 이 행동을 더 잘 설명하고 예측하기 위해 양자 원리를 사용한다. 모든 원자는 핵에 결합된 하나 이상의 전자와 핵으로 구성되어 있다. 핵은 하나 이상의 양성자와 다수의 중성자로 이루어져 있다. 가장 흔한 수소 품종만이 중성자를 가지고 있지 않다. 

양성자와 중성자를 핵이라고 한다. 원자 질량의 99.94% 이상이 핵에 있다. 양자는 양전하를 가지고 있는 반면 전자는 음전하를 가지고 있다. 중성자는 전하가 없다. 양성자와 전자의 수가 같다면, 원자는 전기적으로 중립이다. 만약 원자가 양성자보다 더 많거나 적은 전자를 가지고 있다면, 그것은 각각 전체적으로 음전하 또는 양전하를 가지고 있다. 이 원자들은 이온이라고 불린다. 원자의 전자는 전자기력에 의해 원자핵의 양자에 끌린다. 핵 안에 있는 양자와 중성자는 핵력에 의해 서로 끌어당긴다. 이 힘은 보통 양자를 서로 밀어내는 전자기력보다 강하다. 어떤 상황에서는 핵력보다 밀어내는 전자기력이 강해진다. 이 경우 핵은 산산조각이 나고 다른 원소를 남긴다. 이것은 핵 붕괴의 일종이다.

모든 전자, 핵, 핵은 모두 아원자 입자들이다. 원자에서 전자의 행동은 입자보다 파동에 가깝다. 원자 번호라고 불리는 핵의 양자의 수는 원자가 어떤 화학 원소에 속하는지 정의한다. 예를 들어, 각 구리 원자는 29개의 양성자를 가지고 있다. 중성자의 수는 원소의 동위원소를 정의한다. 원자는 화학적 결합에 의해 하나 이상의 다른 원자에 달라붙어 분자 또는 결정과 같은 화학적 화합물을 형성할 수 있다. 원자가 연관되고 분리되는 능력은 자연에서 관찰되는 대부분의 물리적 변화에 책임이 있다. 화학은 이러한 변화를 연구하는 학문이다.

원자의 질량

원자 질량의 큰 대부분은 그것을 구성하는 양성자와 중성자로부터 나온다. 주어진 원자에서 이러한 입자의 총수를 질량수(mass number)라고 한다. 카운트를 표현하기 때문에 (질량의 차원을 갖는 대신) 양의 정수 및 차원이 없는 것이다. 질량수를 사용하는 예로는 12개의 핵(양자 6개, 중성자 6개)을 가진 "탄소-12"가 있다.

정지된 원자의 실제 질량은 종종 달톤(Da)으로 표현되는데, 이는 통일 원자 질량 단위(u)라고도 한다. 이 단위는 탄소-12의 자유 중립 원자의 질량의 12분의 1로 정의되며, 이는 대략 1.66×10^-27kg이다. 수소-1(최저 질량을 가진 핵종이기도 한 수소의 가장 가벼운 동위원소)은 원자 중량이 1.007825 Da. 이 숫자의 값을 원자 질량이라고 한다. 주어진 원자는 원자 질량 단위의 질량 곱한 질량(1% 이내)과 근사적으로 동일한 원자 질량을 가진다. 그러나 이 숫자는 탄소-12의 경우를 제외하고 정확히 정수는 아닐 것이다. 가장 무거운 안정 원자는 질량이 207.9766521 Da인 납-208이다.

아무리 거대한 원자라도 직접 작업하기에는 너무 가볍기 때문에 화학자들은 대신 두더지 단위를 사용한다. 어떤 원소의 원자의 한 두더지는 항상 같은 수의 원자를 가지고 있다(약 6.022×10^23). 이 숫자는 원소가 1 u의 원자 질량을 가지고 있다면, 그 원소의 원자 두더지는 1 그램에 가까운 질량을 가지도록 선택되었다. 통일된 원자 질량 단위의 정의 때문에, 각 탄소-12 원자는 정확히 12 Da의 원자 질량을 가지며, 따라서 탄소-12 원자의 두더지는 정확히 0.012 kg의 무게가 나간다.

원자의 모양과 크기

원자는 잘 정의된 외부 경계가 부족하기 때문에 그 치수는 대개 원자 반지름으로 기술된다. 이것은 전자 구름이 핵으로부터 확장되는 거리를 측정한 것이다. 그러나 이것은 원자가 진공이나 자유공간에 있는 원자에 대해서만 복종하는 구형의 모양을 나타낸다고 가정한다. 원자 반지름은 두 원자가 화학 결합에 결합될 때 두 핵 사이의 거리에서 파생될 수 있다. 반지름은 원자도에 있는 원자의 위치, 화학 결합의 종류, 이웃 원자의 수, 스핀이라고 알려진 양자역학적 특성에 따라 달라진다. 원소의 주기율표에서, 원자의 크기는 열을 이동할 때는 증가하는 경향이 있지만, 행을 가로질러 이동할 때는 감소하는 경향이 있다. 결과적으로 가장 작은 원자는 반지름이 32pm인 헬륨인 반면, 가장 큰 원자는 225pm의 세슘이다.

전기장처럼 외부 힘을 받으면 원자의 모양이 구면 대칭에서 벗어날 수 있다. 변형은 그룹 이공학적 고려사항에서 알 수 있듯이 외부 쉘 전자의 장 크기 및 궤도 유형에 따라 달라진다. 예를 들어, 큰 수정 전기장이 낮은 대칭 격자 부위에서 발생할 수 있는 결정에서 비구체적 편차가 도출될 수 있다. 피라이트형 화합물의 황 이온과 찰코겐 이온에 대해 상당한 타원형 변형이 발생하는 것으로 나타났다.

원자 치수는 빛의 파장(400~700nm)보다 수천 배 작기 때문에 광학 현미경으로 볼 수 없다. 그러나 개별 원자는 스캔 터널링 현미경을 사용하여 관측할 수 있다. 원자의 미니텐성을 시각화하려면, 인간의 전형적인 털은 폭이 약 100만 개의 탄소 원자라고 생각해보자. 물 한 방울에는 약 2조 분의 1(2×10^21)의 산소가 들어 있으며, 수소 원자의 수는 두 배가 된다. 질량이 2×10^-4 kg인 단일 캐럿 다이아몬드에는 약 10조의 탄소 원자가 들어 있다. 사과가 지구의 크기로 확대되었다면, 사과 속의 원자는 대략 원래의 사과와 같을 것이다.