원자 번호
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1. 개요
원자 번호는 원자핵 내 양성자의 수를 의미하며, 원소의 고유한 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 19세기에는 주어진 부피 내의 원자 수를 의미했지만, 1913년 안토니우스 판 덴 브룩은 원자핵 전하가 주기율표에서 원소의 위치와 같다는 것을 제안했고, 어니스트 러더퍼드는 '원자 번호'라는 용어를 사용하여 원소의 주기율표상 위치를 나타냈다. 헨리 모즐리는 X선 실험을 통해 원자 번호와 원자핵 전하 간의 관계를 실험적으로 입증하여 원자 번호의 개념을 확립했다. 새로운 원소 탐색은 원자 번호를 기준으로 이루어지며, 2018년 기준으로 1번부터 118번까지의 원소가 모두 발견되었다.
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| 원자 번호 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 원자핵 내에 있는 양성자의 수 |
| 기호 | Z |
| 독일어 | Zahl (차알) |
| 독일어 (원자 번호) | Atomzahl (아톰차알) |
| 설명 | |
| 특징 | 원자 번호는 화학 원소를 구별하는 고유한 식별자이다. 원자 번호는 원자핵 내의 양성자 수와 같다. 전기적으로 중성인 원자에서 원자 번호는 전자 수와 같다. |
| 범위 | 알려진 원소의 원자 번호는 1에서 118까지이다. |
| 표기 | 원소 기호의 왼쪽 아래에 표기한다. 예: 6C |
| 활용 | |
| 주기율표 | 원자 번호 순서대로 원소를 배열한 표이다. |
| 원소 식별 | 원자 번호를 통해 원소의 종류를 식별할 수 있다. |
| 화학적 성질 예측 | 원자 번호와 전자 배치를 통해 원소의 화학적 성질을 예측할 수 있다. |
| 역사 | |
| 발견 | 1913년 헨리 모즐리가 X선 스펙트럼 연구를 통해 원자 번호의 개념을 확립했다. |
| 이전의 개념 | 원자량의 순서로 원소를 배열하려는 시도가 있었다. |
| 참고 사항 | |
| 관련 용어 | 질량수 원자량 원자 질량 |
2. 역사
19세기에는 "원자 번호"라는 용어가 주어진 부피 내의 원자 수를 의미했다.[1][2] 현대 화학자들은 몰 농도 개념을 사용하는 것을 선호한다.
1913년, 안토니우스 판 덴 브룩은 원자핵의 전하가 기본 전하의 배수로 표현될 때, 주기율표에서 해당 원소의 순차적 위치와 같다는 것을 제안했다. 어니스트 러더퍼드는 자신의 논문에서 반 덴 브룩의 아이디어를 논의하며 "원자 번호"라는 용어를 사용했다.[3][4]
러더퍼드가 1920년 양성자의 존재를 추론한 후, "원자 번호"는 관례적으로 원자의 양성자 수를 의미하게 되었다. 1921년, 독일 원자량 위원회는 핵 전하 번호를 기준으로 새로운 주기율표를 만들었고, 1923년 국제 화학 원소 위원회도 이를 따랐다.[7]
원래 원자 번호는 주기율표에서 어떤 원소의 위치를 나타내는 번호였다. 멘델레예프가 원소를 원자량 순으로 정렬했을 때, 일부 원소의 성질과 맞지 않는 부분이 발생했다. 예를 들어 요오드(원자 번호 53)와 텔루륨(원자 번호 52)은 원자량 순서와 맞지 않지만, 주기율표상의 위치는 화학적 성질과 부합했다.
1913년 모즐리는 원소의 X선 회절 스펙트럼과 주기율표상 위치 간의 관계를 발견했고, 원자 번호가 원자핵의 전하와 대응한다는 것을 밝혀냈다.
원자 번호는 원자 내 양성자와 중성자 수의 합인 질량수와 밀접하게 관련되어 있다. 반수소와 반헬륨처럼 음수의 원자 번호를 갖는 경우도 있다. 전자나 중성자의 원자 번호는 0이다.
2. 1. 주기율표와 원소의 자연수
드미트리 멘델레예프는 처음에 원자량에 따라 원소들을 배열해 주기율표를 만들었다.[18] 하지만, 원소의 화학적 특성을 고려하여 텔루륨(원자량 127.6)보다 아이오딘(원자량 126.9)을 먼저 배치했다.[18][19] 이러한 배치는 양성자 수(''Z'')를 기준으로 하는 현재의 주기율표와 일치하지만, 당시에는 이상한 부분이었다.원자량 위치를 기반으로 한 단순한 번호 매기기는 완전히 만족스럽지 못했다. 아이오딘과 텔루륨 외에도, 아르곤과 칼륨, 코발트와 니켈과 같은 몇몇 다른 원소 쌍들은 거의 동일하거나 반전된 원자량을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 따라서 주기율표에서의 위치는 화학적 성질에 의해 결정되어야 했다.[8] 그러나 원자 번호가 명확하지 않은 란타넘족 원소들이 점차 더 많이 확인되면서, 최소한 루테튬(원소 71) 이후의 원소들에 대한 주기적 번호 매기기는 일관성이 없어지고 불확실해졌다(이 당시에는 하프늄이 알려지지 않았다).
2. 2. 러더퍼드-보어 모형과 반 덴 브로에크
어니스트 러더퍼드는 원자핵이 원자 질량의 대부분을 차지하고 양전하를 띤다는 원자 모형을 제시했다. 이 때 원자핵의 전하는 원자 질량의 약 절반이 된다. 러더퍼드는 금의 원자핵 전하를 약 100으로 추정했지만 (주기율표에서 금의 원자 번호는 79), 안토니우스 판 덴 브룩은 원자핵의 전하량이 주기율표 상의 위치(원자 번호)와 정확히 일치한다고 최초로 주장했다. 그리고 이것은 끝내 입증되었다.[3][4]2. 3. 1913년 모즐리의 실험
헨리 모즐리는 X선 관을 이용하여 알루미늄(Z = 13)부터 금(Z = 79)까지의 원자가 방출하는 X선 스펙트럼을 측정했다.[21][12] 이 X선의 진동수 제곱근이 원자 번호에 따라 등차수열을 이루는 것을 확인하고, 원자 번호와 원자핵의 전하량이 일치한다는 모즐리의 법칙을 정립했다.[20]
모즐리는 같은 실험실의 보어와 논의한 후, 들뜬 원자에서 방출되는 스펙트럼선을 관찰하여 보어의 원자 모형 가설을 검증하고자 했다.[11] 실험 결과, 모즐리는 란타넘족 원소가 란타넘부터 루테튬까지 15개라는 사실을 밝혀냈다.
2. 4. 미발견 원소들
모즐리가 1915년에 죽은 후, 수소부터 우라늄(Z = 92)까지 그 당시 알려진 모든 원소들의 원자 번호가 모즐리의 방법을 통해 조사되었다. 그 결과 당시 발견되지 않은 원자 번호 43, 61, 72, 75, 85, 87, 91인 7개의 원소(Z < 92)가 확인되었다.[22] 1918년부터 1947년까지, 이 미발견 원소 7개는 모두 발견되었다.[23] 이때까지 4개의 초우라늄 원소들이 발견되어, 주기율표가 퀴륨(Z = 96)까지 빈틈없이 채워졌다.2. 5. 전자와 원자핵 전하에 대한 견해
1915년 당시에는 원자핵 전하가 왜 ''Z'' 배수로 양자화되는지 그 이유가 명확하지 않았다. 프라우트의 가설이라는 오래된 견해에 따르면, 모든 원소는 가장 가벼운 원소인 수소의 잔재물로 만들어졌다고 가정했다. 수소는 보어-러더퍼드 모형에서 단일 전자와 단일 전하를 가졌다. 그러나 1907년 러더퍼드와 토마스 로이즈는 +2 전하를 가지는 α 입자가 질량이 수소의 4배인 헬륨의 원자핵임을 밝혀냈다. 만약 프라우트의 가설이 옳다면, 더 무거운 원자의 핵에 존재하는 수소 원자핵의 일부 전하는 상쇄되어야 했다.1917년 러더퍼드는 α 입자와 질소 기체 사이의 핵반응을 통해 수소 원자핵을 생성하는 데 성공했고,[24] 자신이 프라우트의 법칙을 증명했다고 생각했다. 그는 1920년에 생성된 핵 입자를 양성자라고 명명했다. 모즐리의 연구를 통해 무거운 원자들의 원자핵은 수소 원자핵들로 만들어졌을 때 예측되는 질량보다 2배 이상 무겁다는 것이 확실해졌다. 따라서 무거운 원자핵에 존재하는 추가적인 양성자들이 어떻게 상쇄되는지에 대한 가설이 필요했다. 헬륨 원자핵은 4개의 양성자와 핵 내부에 결합되어 있는 2개의 핵 전자를 가지는 것으로 생각되었는데, 이 전자가 2개의 전하를 상쇄한다고 보았다. 주기율표의 반대쪽 끝에서, 금 원자핵(수소 질량의 197배)은 118개의 핵 전자를 가져 +79의 전하를 띠었고, 이는 원자 번호와 일치한다고 보았다.
2. 6. 중성자의 발견으로 양성자의 수가 된 Z
제임스 채드윅의 중성자 발견(1932년)으로 핵 내 전자에 대한 모든 고찰은 종결되었다. 이제 금 원자는 118개의 핵 내 전자 대신 118개의 중성자를 포함하는 것으로 여겨졌고, 양전하를 띠는 핵 전하는 79개의 양성자에서 비롯된다는 것을 알게 되었다. 모즐리는 원소의 원자 번호 ''Z''가 이 양전하의 크기와 같다는 것을 이전에 보여주었으므로, ''Z''는 핵 내 양성자 수와 동일하다는 것이 명확해졌다.[1]3. 기호 Z
원자 번호의 기호 ''Z''는 독일어 단어 Atomzahl|아톰찰de(원자 번호)에서 유래된 것으로 보고 있다.[25] 1915년 이전에도 ''Zahl''(숫자)라는 단어가 주기율표에서 원소들의 할당 번호로 사용되었다.
4. 화학적 특성
각각의 원소는 중성 원자에 존재하는 전자의 수, 즉 Z (원자 번호)에 따라 특정한 화학적 특성을 가진다. 전자 배치는 양자역학의 원리를 따른다. 각 원소의 전자껍질에 있는 전자들, 그중에서도 가장 바깥 껍질에 있는 최외각전자의 수는 화학 결합을 결정하는 중요한 요인이다. 따라서 원소의 화학적 특성을 결정하는 것은 원자 번호 뿐이다. 그러한 이유로 원소는 동일한 원자 번호를 가지는 원자들의 집합으로 정의내릴 수 있다.
원래 원자 번호는 주기율표에서 어떤 원소의 위치를 나타내는 번호였다. 멘델레예프가 원소를 그룹화했을 때, 원소를 엄밀히 원자량 순으로 정렬하면 일부 원소의 성질과 맞지 않는 부분이 발생했다. 요오드 (원자 번호 53, 원자량 126.9)와 텔루륨 (원자 번호 52, 원자량 127.6)은 순서를 바꿈으로써 주기율표상의 위치가 시사하는 화학적 성질과 더욱 부합했다.[2]
이러한 불규칙성은 1913년 모즐리가 설명했다. 그는 원소의 X선 회절 스펙트럼과 그 원소의 주기율표상 정확한 위치 간의 엄밀한 관계를 발견했다. 이후, 원자 번호가 원자핵의 전하와 대응한다는 것이 밝혀졌다.[3]
5. 새로운 원소
새로운 원소 탐색은 원자 번호를 기준으로 이루어진다. 2018년 기준으로 1번부터 118번까지의 원소가 모두 발견되었다. 새로운 원소 합성은 중금속 표적 원자에 이온을 충돌시키는 방식으로 이루어지며, 표적 원소와 이온의 원자 번호 합은 합성되는 원소의 원자 번호와 동일하다. 일반적으로 원자 번호가 증가하면 반감기는 짧아지지만, 특정한 수의 양성자와 중성자를 가진 미발견 동위원소에 대해서는 "안정성의 섬"이 존재할 수 있다.
6. 기타
주기율표에서 어떤 원소의 위치를 나타내는 번호였던 원자 번호는 음수로도 존재한다. 반수소나 반헬륨과 같은 경우가 그 예시이다. 전자나 중성자의 원자 번호는 0이다.
참조
[1]
서적
Hand-book of Chemistry
1848
[2]
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https://books.google[...]
1890
[3]
논문
The Structure of the Atom
https://www.chemteam[...]
1914-03
[4]
논문
The Structure of the Atom
1913-12-11
[5]
서적
The Periodic Table: Its Story and Its Significance
2020
[6]
서적
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2012
[7]
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2012
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