[include(틀:다른 뜻1, other1=왕족, rd1=원자(왕족))] [include(틀:물리화학)] [include(틀:원자 구성 입자)] [목차] || {{{#!wiki style="margin: -5px -10px -5px" [youtube(K1mivoAJEiY)]}}} || || '''원자의 구성 입자'''[* 모두의 과학 채널에서 제작한 원자의 구성 입자 관련 영상] || == 개요 == {{{+1 [[原]][[子]] / Atom}}} 화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 [[입자]].[* 화학 원소의 특성을 잃는 범위에서의 최소 입자는 [[기본 입자]]이다.] 중심에는 [[원자핵]]이 있고 그 주변은 [[전자]]들로 둘러싸여 있다. [[원자번호]]로 구분 가능한 원자의 종류가 원소의 개수가 된다. 2023년 현재까지 공식적으로 확인된 원소의 개수는 118개 이다. == 어원 == 기원전 450년경에 [[데모크리토스]]가 [[그리스어]]로 부정을 뜻하는 á[* 영어에서도 a는 부정이나 반대의 의미로 사용되기도 한다.]와 자름을 뜻하는 tomos를 합성하여, átomos라는, '자를 수 없음'을 뜻하는 단어를 만들어냈다. 데모크리토스의 제자들의 가보가 끊겨 [[중세]]에는 잊힌 이론이었으나 근대에 이르러 [[존 돌턴]]이 원자론을 재발견하고 atom이라는 단어를 정립했다. 한자로는 근본이 되는 물질이라 하여 근본 原을 사용, 原子라고 쓴다. 현대에 이르러서는 원자도 [[기본 입자|더 작은 입자]]들로 구성되어 있다는 걸 밝혀냈기 때문에, [[전류]]의 방향이 실제로는 반대인 것처럼, 현재에 와서는 [[이름과 실제가 다른 것|어원의 뜻과 실제 정의가 달라졌다]]. == 구조 == [[파일:attachment/uploadfile/jyu_n_8.jpg]] 널리 알려진 구조. 그림과는 달리 [[양자역학]]으로 인해 전자의 위치는 특정한 궤도로 한정지을 수 없다. 하지만 이러한 모형은 직관적이기에 여전히 쓰이고 있다. [[파일:attachment/uploadfile/jyu_n_9.jpg]] [[양성자]], [[중성자]], [[전자]]로 이루어져 있다. 중심에는 원자핵을 이루는 [[핵자]]인 양성자, 중성자가 모여 있고, 전자는 핵 주변에 분포하며, 이 전자의 분포를 나타내는 전자 구름이 위치해있다. 빅뱅 이후 38만년이 지나서 어느정도 우주의 온도가 식자, 이때 전자와 원자핵이 결합하면서 처음 만들어졌다. 참고로, 전자는 쿼크와 함께 우주 폭발 직후 [[우주/역사#대통일 시대|대통일 시대]]가 끝나며 만들어진 입자이고 원자핵은 양성자와 중성자가 결합하여 형성된 것이다. 이러한 구조를 쉽게 이해하기 위해서 [[축구장]]을 원자에 비유해서 자주 예로 드는데, 만약 원자가 축구장이라면, 원자핵은 축구장 중앙에 놓인 구슬과 같다. 원자가 지구 크기라면 원자핵은 남대문 정도 된다. 그리고 '전자'는 현재 기술로는 크기를 측정할 수가 없다. 원자는 텅 비어 있다고 생각해도 무방하다. 원자라는 축구장에 들어가 있다면 안에는 희미하게 보이는 구슬을 제외하고는 아무것도 없다고 생각할 수 있다. 원자와 원자핵의 크기의 정확한 비율은 원자마다 다르다. 반 데르 발스 [[원자 반지름]]은 1\sim 3 \times 10^{-10} m, [[핵자]]의 수를 A라 할 때 원자핵 반지름은 1.07 \sqrt[3]{A} \times 10^{-15} m이다. 양성자 하나로 이루어진 수소 원자라면, 원자와 원자핵의 크기 비율은 약 '100,000:1' 이다. 원자가 비어있는데 왜 원자로 이루어진 세상을 우린 보고 느끼고 만지고 심지어 원자끼리 충돌해서 파괴될 수 있는가? 원자간 거리가 가까워지면 오비탈들이 가지는 에너지가 발산하기 때문이다. 그에 따라서 원자들 사이의 거리는 0이 될 수 없고 원자들은 서로 반발한다. [[분자 오비탈]] 참고. [[질량]]은, 핵자는 약 1.67 \times 10^{-27}kg이고 전자는 9.11 \times 10^{-31}kg으로 핵자가 전자에 비해 대략 1800배나 무겁다. 사실상 원자의 질량은 원자핵이 다 차지하고 있는 셈. 기본적으로 원자는 전하를 가지지 않는다. 원자핵이 양전하를 가지고, 그만큼의 음전하를 가진 전자가 합쳐져 있기 때문. [[이온(화학)|전자가 적거나 많으면 양전하나 음전하를 띠기도 한다.]] 홀전자가 있을 경우 [[상자성]]을 띠고 홀전자가 없으면 [[반자성]]을 띤다. 원자의 자성을 만드는 요소로는 전자의 스핀과 전자의 궤도 운동 크게 2가지가 있다. 이들에 비하면 원자핵의 스핀은 원자의 자성에 상대적으로 적은 영향만을 준다. [[슈테른-게를라흐 실험]]으로 원자가 가진 자성을 확인할 수 있다. [[원소]]들의 성질이 주기성을 나타내는 이유는 원자 속의 [[전자]] 배치와 관련이 있다. 원자를 구성하는 [[원자핵]]은 [[양성자]]와 [[중성자]]로 이루어져 있고, 한 원자를 구성하는 양성자와 전자 수가 같으므로 원자는 전기적으로 중성이다. 이 양성자의 수에 따라 원자 번호가 결정된다. [[닐스 보어]]는 [[전자껍질]]이라는 개념을 제안하였다. 원자핵 주위에서 전자가 에너지에 따라 서로 다른 껍질을 이루고 있다는 것이다. 원자모형에서 전자는 안쪽에 있는 전자껍질부터 차례로 배치되는데, 각 전자 껍질마다 최대로 배치될 수 있는 전자의 수는 정해져 있다.[* 여기서 전자 껍질 수가 같으면 주기율표에서 주기가 같은 원소들의 집합이며, 전자 껍질 중 가장 바깥에 들어있는 전자는 원자가 전자이다. 원자가 전자는 화학적 성질을 결정한다. 따라서 원자가 전자수가 같으면 족이 같은 원소들의 집합이 되므로 이들은 서로 화학적 성질이 비슷하다.] === [[원자핵]] === 핵자인 [[양성자]]와 중성자가 이루며, 핵자들의 사이에 작용하는 [[핵력]]에 의해 양성자와 중성자가 결합되어 원자핵을 형성한다. [[주기율표]]의 원자 번호는 이 원자핵의 양성자 개수를 뜻한다. 즉 원자 번호 1인 수소는 양성자가 하나, 원자 번호 92인 [[우라늄]]은 92개의 양성자를 가지고 있다. 여기서 중성자를 빼놓으면 섭섭한데, 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다르면 [[동위원소]]가 된다. 원자 번호 0인 [[원소(화학)|원소]]가 없듯 중성자가 없는 원자는 존재하나 양성자가 없는 원자는 일반적으로 존재하지 않는다. 양성자가 없는 원자는 '별난 원자'라고 해서 특별하게 취급한다. 대표적으로 전자와 양전자만으로 이루어진 [[포지트로늄]]. 양성자의 수에 따라 어떤 원소인지가 결정나므로, 즉 원자가 가지고 있는 양성자의 수를 바꿔버리면 원소를 다른 원소로 인위적으로 바꾸는 [[연금술]]도 가능하다고 할 수 있겠다. 양성자를 비롯한 핵자의 수가 바뀌는 대표적인 현상이 [[핵융합]], [[핵분열]]이다. 자세한 사항은 [[원자핵]] 문서로. === [[전자]] === [[보어의 원자모형]]에선 전자가 원자핵 주변을 '''도는 것'''으로 나타내었지만, 정확히 말하면 전자는 그냥 원자핵 주변에 '''존재'''해 있다. 그것도 위치가 정해진 것도 아니며, 전자는 어디에든 확률적으로 존재할 수 있다. 극단적으로 말하면 지구에 있는 수소 원자의 전자가 '''글리제 581에 있을 수도 있다.''' 다만 1s [[오비탈]]의 경우 핵에서 가까울수록 그 위치에 대해서 전자가 존재할 확률이 올라가고 반대로 핵에서 멀어질수록 존재할 확률이 낮아진다. 그리고 이 전자의 분포는 특정한 형태로 나타나게 되는데 이 형태를 전자 구름이라고 부른다. 엄밀히 말하자면 전자의 위치와 운동을 어떻게 설명할 것인가의 문제는 [[양자역학의 해석]]과 관련되어 있다. [[다세계 해석]]은 관측 전의 전자가 문자 그대로 존재해 있다고 본다. 여기에 대한 반론으로 [[존재]]는 더 이상 쪼갤 수 없는 개념이기 때문에 확률적으로 존재한다는 것은 존재라는 용어를 잘못 사용한 것이라는 주장이 있다. [[코펜하겐 해석]]에선 관측 전의 [[파동함수]]는 발견될 확률을 나타낼 뿐이지 그곳에 무엇인가가 존재한다고 말할 수 없다고 본다. [[앙상블 해석]]에서도 관측 전에 전자가 존재하는지 알 수 없으며 우리가 알 수 있는 것은 여러 번의 관측을 통해 나타나는 통계적인 앙상블뿐이라고 주장한다. 전자가 원자핵 주변을 도는 [[보어의 원자모형]]은 실제와는 차이가 있다. 고전 전자기학적으로 전자가 원 운동을 하면 [[싱크로트론복사]]로 [[빛]]을 내며 에너지를 잃어버린다. 즉 원자는 구조적인 결함으로 인해 순식간에 와해되고 만다. [[파일:external/blogfiles2.naver.net/%BC%F6%BC%D2%BF%F8%C0%DA_%B8%F0%C7%FC_miraeedu21.jpg]] 당연하지만 이런 일은 일어나지 않는다. 참고로 이 모형에서 전자가 원자핵에 포획되지 않기 위해서는 최소 초속 1000km대 이상으로 움직여야 한다. [[파일:external/blogfiles6.naver.net/%BF%C0%BA%F1%C5%BB25.jpg]] 위 표는 전자 구름 모델, [[오비탈]] 모델을 나타낸다. 색이 입혀진 부분은 매우 높은 확률로 전자를 찾을 수 있는 지역을 의미한다. 그림의 색은 파동함수에서의 위상을 나타낸다. 색이 없는 부분에서도 발견할 수는 있으나, 그 확률은 매우 낮다. 대체로 확률이 90%인 곳을 표면 경계로 하여 모델을 만들므로, 색칠해진 부분을 제외한 '''나머지 우주 전체'''를 다 합친 공간에 존재할 확률이 10%가 된다. 여기서 주의할 점은 오비탈은 [[화학 결합]]이나 기타 원인에 따라 나타나는 원자의 방향성이 드러나도록 표현한 전자의 고유 상태라는 점이다. 화학결합을 무시하면 전자는 오비탈 고유 상태의 중첩으로 존재하여 구대칭적인 파동함수를 이룬다고 봐도 무방하다. == 원자의 크기 == 원자의 크기는 기준을 어떻게 두느냐에 따라 크게 달라진다. 대표적인 기준들로는 [[반데르발스 반지름]], 공유 반지름, 보어 반지름 등이 있다. [[원자 반지름]] 문서에 자세히 설명되어 있다. == 원자 모형 == 원자 모형의 변천 과정과 현대적 원자 모형은 [[오비탈]] 문서로. == 원자의 표기 == || {{{#!wiki style="margin: -5px -10px -5px" [youtube(_tEothPMiYU)]}}} || || '''원자의 표기'''[* 모두의 과학 채널에서 제작한 원자의 표기 관련 영상] || [[원소]]기호의 왼쪽 아래에 [[원자]] 번호를 표기하며, 왼쪽 위엔 [[질량수]]를 표기한다. 이온인 경우 오른쪽 위에 상대적 [[전하]]를 표기한다. [[원자]]번호의 경우 [[원소]]기호 만으로도 알 수 있으므로 생략하는 경우가 많다. == 원자의 실제 모습 관찰 == 원자의 실제 모습은 1980년대에 개발된 제3세대 [[현미경]]인 원자 현미경에서부터 [[MRI]]가 발달함에 따라, 보다 다양하게 관측 및 촬영까지 할 수 있게 되었다. * 평범한 [[DSLR]]을 장기 노출을 통해 찍은 [[스트론튬]] 원자 1개의 모습. [[https://www.nationalgeographic.com/science/article/trapped-atom-photograph-long-exposure-competition-spd|출처ngc]] * [[IBM]]에서 원자로 만든 영화. 세계에서 가장 작은 소재를 이용하여 촬영했다는 의의가 있다. [youtube(oSCX78-8-q0)] * 2020년 2월, 인류 역사상 최초로 원자가 결합되고 분리되는 장면을 촬영한 [[https://m.phys.org/news/2020-01-atomschemical-bond-action.html|영상]]이 있다. 구체적으로는 [[탄소 나노 튜브]] 안에 [[레늄]] 원자를 넣어서, 레늄 원자의 [[금속 결합]] 및 분리를 관측한 것이다. 레늄의 경우 원자 번호가 큰 편이라서 관찰이 수월했기 때문. 이 발견은 이론으로만 알 수 있었고, 고등학교 교과에도 나올 만큼 보편성이 높아진 지식이라 할 수 있는 '''‘원자 간의 결합’을 실제로 사람 눈으로 확인한 세계 최초의 사례'''이므로, 그 의의가 높다 할 수 있겠다. ##|| [youtube(Pdb_J2lIMwc?start=22)] || ##|| '''원자 간의 결합 및 분리 장면''' || == 관련 문서 == * [[양성자]] * [[중성자]] * [[전자]] * [[원자론]] * [[원자 반지름]] * [[오비탈]] * [[이온(화학)|이온]] * [[매직넘버]] * [[원소(화학)|원소]] * [[전자껍질]] [[분류:원자]]