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2 차시, 원자 및 원자핵

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• 원자의 중심(원자핵)

(+)전하를 띤 양성자

전기적으로 중성인 중성자

• 원자핵 주변

(-)전하를 띤 전자가

궤도상에서 회전

양성자(proton)

XAZ원소기호

질량수 ( = 양성자 수 + 중성자수)

원자의 이해

원자 및 원자핵

핵력, 원자핵의 안정성

원자질량단위(AMU)

질량결손, 결합에너지

원자의 들뜸과 전리

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원자의 크기

원자의 크기 : R = 0.53x10-10n2 [m], n: 주양자수

4 4

𝑢(𝑢𝑝,위쿼크): +2

3𝑒 𝑑(𝑑𝑜𝑤𝑛),아래쿼크): −

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3𝑒

- 원자핵 : 양성자 + 중성자, (핵자(nucleon) : 양성자, 중성자)

- 전자

※ 원자의 특성은 전자로 결정됨.(주기율표의 족 1,2,3….8)

각 궤도의 허용전자 수 = 2n2

2, 8, 18, 32..

n : 주양자수

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

M(n=3)

e

e

e

L(n=2)

K(n=1)

원자의 구조

• 양자수 [quantum number, 量子數]

원자, 원자핵, 원자구성 입자들과 같은 물리적 계의 상태를 정의하는 정수나 반정수.

• 주 결합에너지를 결정 : 주양자수(n, principle quantum number),

전자구름 모양을 결정 : 궤도양자수(l, orbital quantum number,방위양자수)

- l=0 구형, l=1이면 아령형..

전자껍질의 방향(각운동량의 방향) 결정 : 자기 양자수(m, magnetic quantum number)

전자스핀의 방향 결정 : 스핀양자수(s, spin quantum number)

• 전자의 에너지 상태와 핵을 중심으로 일정한 거리에서 전자를 발견할 확률

• 주양자수가 커질수록 전자의 에너지가 커지며 전자는 핵에서 점점 멀어짐.

원자내 전자의 배치

• 원자의 전자 껍질(K,L,M,N,O,P,Q)에 핵내의 양성자수 만큼 전자가 배치되어 전기적으로 중성 • 각각의 껍질은 정해진 수만큼 전자를 수용 • 수용할 수 있는 최대 전자수는 주 양자수로 정해짐. • 전자의 상태는 4가지 양자수로 결정,

전자껍질과 주기와의 관계

원자핵(atomic nucleus)의 구성

• 양성자(proton)와 중성자(neutron)으로 구성

☞ 핵자(nucleon)

• 핵내에는 양성자 중성자이외에도

중간자, 중성미자등 30여종의 소립자 존재

• 핵종(nuclide) : 원자핵의 종류

- 모든 핵종은 각각 고유의 원자번호와 질량수

• 방사성핵종(radioactive nuclide)

• 핵자수 = 질량수

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원자핵의 반경

𝑹 = 𝟏. 𝟐 × 𝟏𝟎−𝟏𝟓𝑨𝟏/𝟑 = 𝒓𝟎𝑨𝟏/𝟑, 𝒓𝟎 = 𝟏. 𝟐𝒇𝒎

원자질량단위: u(AMU, Atomic mass unit)

1u는 어떤 핵종 1g을 아보가드로수로 나눈 것과 같다

C−12 1몰(mole)의 질량 : 12.011 g 1 몰속의 원자수 : 6.023 x 1023 개

탄소 𝟏개의 질량 = 𝟏𝟐𝐮 = 𝟏𝟐. 𝟎𝟏𝟏 𝐠

𝟔. 𝟎𝟐𝟑 × 𝟏𝟎𝟐𝟑= 𝟏. 𝟗𝟗𝟒 × 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝒈

𝟏 𝒖 =𝟏. 𝟗𝟗𝟒 × 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝒈

𝟏𝟐= 𝟏. 𝟔𝟔𝟎𝟓 × 𝟏𝟎−𝟐𝟕 𝒌𝒈

탄소원자 질량의 1/12

𝟏𝒖 =𝒎( 𝐶12 )

𝟏𝟐=

𝟏.𝟔𝟔×𝟏𝟎−𝟐𝟔𝒌𝒈

𝟏𝟐= 𝟏. 𝟔𝟔𝟎𝟓 × 𝟏𝟎−𝟐𝟕 𝒌𝒈

원자의 이해

원자, 원자핵

핵력, 원자핵의 안정성

원자질량단위(AMU)

질량결손, 결합에너지

원자의 들뜸과 전리

E = mc2 = 1.6605 x 10-27 kg × (3×108 m/sec)2

= 1.49×10-10 kg∙m2/sec2= 1.49×10-10 J×𝟏𝑴𝒆𝑽

1.610−13 J

= 931.5 MeV

1u를 에너지단위로 환산

1eV = 전하(e) 1V = 1.610-19 C 1V

= 1.610-19 J

1u = 931.5 MeV

핵자 및 전자의 특성

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종 류 기 호 전 하

정지질량(rest mass) 원자질량

(u) 무 게(kg) 에너지(MeV)

양성자 p +1 1.6726x10-27 938.2 1.007276

중성자 n 0 1.6749x10-27 939.6 1.008665

전 자 e -1 9.1095x10-31 0.511 0.000549

전자의 질량이 모두 에너지로 바뀌면 얼마나 될까? (전자의 정지질량 : 9.1 × 10−31𝑘𝑔)

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𝑬𝒎𝒆 = 𝒎𝒆𝒄𝟐 = 𝟗. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟑𝟏𝒌𝒈 × 𝟑 × 𝟏𝟎𝟖𝒎/𝒔

𝟐

= 𝟖. 𝟏𝟗 × 𝟏𝟎−𝟏𝟒 𝑱 = 𝟎. 𝟓𝟏𝟏𝑴𝒆𝑽

eV(Electron volt)

1 eV : e의 전하를 지닌 전자를 1V의 전위차로

가속하였을 때 전자가 얻는 운동에너지

1eV = 전하(e) 1V = 1.610-19 C 1V

= 1.610-19 J

+

- e

1V

1eV 100eV

100V

e