원자(atom)는 그 원소의 화학적 성질을 지니는 최소 입자이다. 원자라는 말은 “쪼갤 수 없다”라는 뜻을 가진 그리스어 atomos에서 유래한다. 예를 들면 한 조각의 나트륨은 절반으로 계속 쪼개나가면 최후에는 더 이상 절반으로 쪼갤 수 없다고 그리스의 철학자들은 생각하였다. 그러므로 물질은 대단히 작고 쪼갤 수 없는 조각들로 구성되어 있다고 그들은 추론했으며, 오늘날 우리는 이것을 원자라 부르고 있는 것이다.
그러나 우리가 알고 있는 것처럼 원자는 쪼갤 수 없는 것이 아니다. 원자는 전자(electron), 양성자(proton), 중성자(neutron) 등의 입자로 구성되어 있다. 음으로 하전된 전자는 핵 주위의 공간에 존재하며, 알짜전하를 갖지 않는 원자는 전자수와 핵 속의 양성자수가 동일하다. 원자는 매우 작아서 그 전형적인 원자의 반지름은 30～150pm 범위에 있다. 실제로 원자핵의 반지름은 대략 0.1pm에 불과하므로 한 원자는 대부분이 비어 있는 공간이다. 이러한 원자의 크기에 대한 느낌을 이해하기 위하여 다음과 같이 생각해 보기로 한다.
만약 기원전 약 3000년 전의 홍수기부터 노아(Noah)가 하루 8시간 매초 1개씩의 속도로 실에 수소 원자를 매달아 사슬을 만들기 시작했다면 그 길이는 오늘날까지 약 1.6m에 불과할 것이다. 원자는 전기적으로 중성일 때 핵 주위의 전자수와 양성자수는 같다. 이 양성자수를 원자번호(atomic number)라 부르며 Z라는 기호로 나타낸다. 예들 들면 우라늄은 핵 속에 92개의 양성자를 가지므로 원자번호가 92(Z=92) 이다.
또 대부분의 원소에는 적어도 2가지 정도의 안정된 동위원소(isotope)가 있다. 동위원소란 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원자들을 말하고 이것은 중성자수가 다르기 때문에 구별되는 것이다. 예를 들면 탄소는 질량수가 12와 13인 2가지 동위원소가 자연계에 존재한다. 원자에 대한 수많은 실험결과는 원자질량 단위(atomic mass unit : amu)에 기초를 둔 상대적 원자질량의 척도를 확립시켰다.
이 척도의 표준은 핵 속에 6개의 양성자와 6개의 중성자를 갖는 탄소 원자의 질량에 그 기초를 두고 있다. 이 원자는 정확히 12 원자질량 단위 즉 12amu의 질량을 가진다고 정의한다. 다른 모든 원소의 원자질량은 이 탄소의 원자질량에 대하여 상대적으로 정해진다. 예를 들어 산소 원자는 평균적으로 탄소 원자(원자번호 12) 질량의 1.33배가되므로 산소의 원자질량은 12.0×1.33amu 즉 16.0amu에 해당한다.
원자를 구성하는 전자, 양성자 그리고 중성자의 질량은 amu의 척도로서 실험적으로 결정되었다. [표 3]에서 양성자와 중성자의 질량은 1amu에 가까우며 전자의 질량은 대략 중성자의 1900분의 1에 불과하다. 이와 같이 질량에 관한 기본적인 단위를 정의함으로써 핵의 조성을 알면 어떤 원자라도 그 질량을 추정할 수 있다. 양성자와 중성자는 그 질량이 1amu에 대단히 가까우므로 그 차이는 보통 무시할 수 있다.
그리고 전자는 어느 정도 많다고 하더라도 원자량에는 큰 영향을 미치지 않을 것이다. 그러므로 원자의 질량은 단순히 양성자와 중성자의 수를 합함으로써 추정할 수 있다. 이 합한 수를 그 원자의 질량수(mass number)라 부른다. 예를 들면 플로오르 원자는 양성자 9개와 중성자 10개를 가지므로 질량수는 19이다. 또 지구에서 가장 많이 존재하는 철 원자는 26개의 양성자와 30개의 중성자를 가지므로 그 질량수는 56이다.
∴ 전하는 1.60 × 10-19의 배수로 주어진 것임
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입 자 |
질량(g) |
원자질량 단위 |
전하* |
기호 |
|
전 자 |
9.1096 × 10-28 |
0.0005483 |
-1 |
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양성자 |
1.6726 × 10-24 |
1.007276 |
+1 |
|
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중성자 |
1.6749 × 10-24 |
1.008665 |
0 |
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표 3 원자 구성입자의 성질
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