1.2.3 핵의 크기 및 전하 [원자력기사]

1.2.3    핵의 크기 및 전하

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1.2.3.1 원자모형의 변화

 

현재의 현미경을 이용하면 물질 내 원자의 배열을 볼 수 있다. 

그러나 현미경으로도 양성자와 전자로 구성되어 있는 원자 모형은 볼 수 없다. 

따라서 원자의 내부 구조를 연구하기 위해서는 원자모형을 이용해야 한다. 

실험을 통해 발견된 여러 가지 성질을 설명할 수 있는 원자모형을 바탕으로 원자의 새로운 성질을 예측한다. 

1800년대 이후 많은 실험과 가설들에 의해 원자의 구조와 모양은 변화되었다. 

물론 그 이전에도 여러 철학적인 가설을 통한 원자에 대한 고민을 했지만, 현재 우리가 알고 있는 원자 모형과 유사한 개념은 1800년대 말부터 본격적으로 시작되었다.

그림 2-2 아인슈타인의 물리학자 컨퍼런스 (1927)

 

원자력기사에서 원자모형의 발견 과정에 대한 문제는 중요하게 다루어지지 않으므로, 간략하게 살펴본다.

 

2.3.1.1 돌턴 (John Dolton, 1766~1844)

 

영국의 화학자인 돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤수 없는 공 모양의 단단한 알갱이로 보았으며, 1803년에 발표한「더 이상 쪼개지지 않는 원자로 이루어 졌다」는 원자이론이다.

 

2.3.1.2 톰슨 (Joseph John Thomson, 1856~1940)

 

영국의 실험물리학자인 조지프 존 톰슨의 원자모형은 자두 푸딩 모형(plum pudding model)이라는 별명을 가지고 있다. 

1906년 제안한 톰슨의 원자 모형은 양전하 물질속에 전자가 두루 분포하고 있는 모형이다. 하지만 두루 분포하고 있는 전자는 움직이지 않는 상태로 분포하고 있다고 가정하였다.

 

현대의 원자모형과는 다른 점이 있으나 톰슨의 원자모형은 원자 안에 전자가 있다는 것을 강조한 최초의 모형이다.

 

2.3.1.3 러더퍼드 (Rutherford, 1871~1937)

 

영국의 물리학자 러더퍼드는 1911년에 알파입자 산란 실험결과를 설명하기 위하여 원자의 중심부에 뭉쳐져 있는 원자핵을 강조한 원자모형을 발표하였다. 즉, 원자의 구조는 원자핵을 중심으로 전자가 주변에 퍼져 있는 모형을 설명하였다.

 

2.3.1.4 보어 (Niel Henrik David Bohr, 1885~1962)

덴마크 물리학자인 보어가 제시한 원자모형은 원자핵 주변 전자들이 일정 궤도만 돈다고 설명하였다. 그리고 전자의 위치와 속도를 결정할 수 있다고 생각하였다.

 

2.3.1.5 슈뢰딩거 (Erwin Schrodinger, 1887~1961)

 

오스트리아의 이론 물리학자인 에르윈 슈뢰딩거는 보어의 원자모형을 바탕으로 원자 내 움직이는 전자의 성질을 에너지와 위치를 동시에 정확하게 알 수 없고 전자의 위치를 확률로 나타낼 수 있다고 설명하였다.

 

2.3.2 핵의 크기 및 전하

 

2.3.2.1 핵의 크기

 

앞에서 살펴본 바와 같이 원자핵과 원자모형에 대한 가설은 발전해왔다. 

1.1절에서 기본적인 원자의 구성은 살펴 보았으며, 현대의 원자모양은 그림 2-3과 같이 원자핵과 전자로 구성된다.

그림 2-3 원자의 모형

 

그림 2-3에서 원자핵은 크게 표현되어 있으나 실제로는 원자 중 원자핵의 크기는 매우 작다. 

원자핵의 지름은 10-12cm 정도이며, 원자 전체의 지름은 10-8cm 정도이다. 

즉 원자 전체 크기 중 원자핵이 차지하는 길이는 1/10000 정도이다. 

보통 원자핵의 크기를 원자와 비교하여 운동장에 떨어진 모래알 정도라고 표현할 정도이다.

 

원자나 분자의 크기는 cm 단위로 표현할 수 있지만, 이를 간단히 표현하기 위하여 Å(옹스트롬) 단위를 사용하기도 한다.

1Å는 1×10-10m를 나타낸다. 따라서 원자 1개의 지름은 1Å(1 옹스트롬)으로 표현할 수도 있다.

 

2.3.2.2 핵의 전하

 

전하란 전기 현상을 일으키는 물질의 기본적인 성질이며, 모든 입자는 양성, 음성, 중성 중의 하나의 성질을 띠고 있다.

일상생활에서 두 물체를 문지르는 경우 음전하를 띤 많은 수의 전자가 한 쪽에서 다른 쪽으로 움직이고 전자가 많아 진 쪽은 음전하를 전자를 없어진 쪽은 양전하를 띠게 된다.

 

자연계에서는 모든 물질이 원자로 만들어져 있고 이 원자는 중심의 원자핵과 주변의 전자로 구성되어 있다. 

또 원자핵은 전하를 가진 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성되어 있다. 

이 때 전자와 양성자는 기본 전하량 e를 갖고 있는데 전자는 음전하(e-)를 양성자는 양전하(e+ )를 가진다. 보통의 원자는 같은 수의 양성자와 전자를 갖고 있어 전기적으로 중성을 띤다. 

이는 앞서 1.1절에서 대략적으로 살펴보았다.

 

원자핵이 가진 전하를 핵전하(Nuclear Charge)라고 불리며, 원자핵 내의 양성자 전하의 총합이다. 

핵전하의 양은 간단히 설명해서 원자번호와 같다. 

이것은 원자핵 내에는 원자 번호 수만큼의 양성자가 존재하기 때문이다.