원자구조와 원자결합

2.1 서론

고체 재료의 많은 중요한 성질들은 원자의 기하학적 배열과 원자 혹은 부낮간의 결합ㄹ에 영향을 받는다. 이 장에서는 다음 장에서 설명될 내용을 이해하기 위한 기초 개념으로, 원자의 구조, 원자 내의 전자 분포, 주기율표, 고체를 구성하는 원자 1차 및 2차 결합 등을 설명하고자 한다. 

 

 

2.2 기본개념

원자는 양자와 중성자로 구성된 핵과 그주위를 도는 전자로 이루어져 있다. 전자와 양자는 전기적으로 전하를 가지고 있으며, 그 전하량은 1.60x10^(-19)C으로, 전자는 음전하, 양자는 양전하를 가지며, 중성자는 중성을 띤다. 

이러한 아원자 입자의 질량은 매우 적어, 양자와 중성자의 경우는 1.67x10^(-27)kg의 비슷한 질량을 갖는데, 이는 전자의 질량 9.11x10^(-31)kg에 비해서는 상당히 크다고 할 수 있다. 

 

원자번호 

각 화학 원소는 핵 내의 양자수 혹은 원자번호(atomic number)에 의해 분류된다. 전기적으로 중성이거나 완전한 원자는 원자 번호와 같은 수의 전자를 갖는다. 이러한 원자번호 수소의 1에서부터 자연상에 존재하는 가장 높은 원자번호를 갖는 우라늄의 92까지이다. 

 

특정 원자의 원자질량(atomic mass)은 핵 내의 양자와 중성자의 질량 합으로 나타낼 수 있다. 하지만 각 원소의 양자수는 같아도 중성자의 수는 다를 수 있다. 따라서 어떤 원소는 두 가지 이상의 원자 질량을 갖고 있는데, 이를 동위원소(isotopes)라고 한다. 

이러한 경우 원자량(atomic weight)은 자연상에 존재하는 동위원소의 원자 질량의 평균값으로 정의 된다. 원자 질량 단위는 원자량을 산출하는 데 사용된다. 1 amu는 가장 흔한 탄소 동위원소 평균 질량의 1/12로 정의되며, 단소는 원자번호 12이다. 이러한 방법에 의해 산출된 양자와 중성자의 질량은 1보다 약간 크다.

 

원소의 원자량과 화합물의 분자량은 단위 원자당(혹은 분자당) amu 또는 재료 1 mol당 질량으로 표시된다. 물질 1몰(mol)에는 6.023x10^23 아보가드로 수개의 원자나 분자가 존재한다. 원자량을 나타내는 이러한 두 방식은 서로 다음과 같은 관계를 갖는다. 

 

1 amu/atom(혹은 분자) = 1g/mol

 

예를 들어 철의 원자량은 55.85 amu/atom 또는 55.85g/mol이다. 원자 혹은 분자당 amu로 원자량을 나타내는 것이 편리한 경우가 있으나, 일반적으로는 g(또는 kg)/mol 단위가 더 많이 사용되고 있다. 

 

 

2.3 원자 내의 전자 

원자 모델 

19세기 후반에 들어 고체 내에 존재하는 전자와 관련된 여러 현상은 고전 역학적으로 설명될 수 없음이 밝혀졌다. 따라서 원자와 원자 내 개체의 거동을 지배하는 일련의 새로운 원리와 법칙이 정립되었으며, 이를 양자역학이라고 부르게 되었다. 원자 내 전자들의 거동을 정확히 이해하기 위해서는 양자역학에 대한 이해가 선행되어야 한다.

 

보어 원자 모델

양자역학의 초기 개념은 간단한 보어 원자 모델에서 출발했다. 이 모델에서 전자는 정해진 궤도를 가지고 원자 주위를 돌고 있다고 가정하였으며, 궤도의 위치는 명확히 정의 된다고 가정하였다. 또 다른 중요한 양자역학의 개념은 전자의 에너지가 양자화된다는 것이다. 즉, 전자는 오직 특정한 에너지값만을 가질 수 있다는 것이다. 전자의 에너지는 바뀔 수 있지만, 이는 오직 허용된 높은 에너지(에너지의 흡수를 수반)와 낮은 에너지(에너지의 방출을 수반)로 양자 도약, 혹은 준위로 생각할 수 있다. 이러한 준위의 에너지는 연속적으로 변하지 않으며, 따라서 준위는 일정한 에너지 간격으로 분리되어 있다.

보어 원자 모델은 원자 내 전자들의 위치(전자 궤도)와 에너지(양자와 된 에너지 수준)를 설명하는 초기 시도로 생각할 수 있다. 

이러한 보어 모델은 전자가 갖는 여러 현상을 설명하는데 한계가 있음이 밝혀졌다. 

 

파동역학 모델

이러한 한계는 파동역학 모델에 의해 해결되었으며, 이 모델에서 전자는 파동성과 입자성을 동시에 갖는 다고 생각한다. 또한 저자는 특정 궤도를 도는 입자로 취급하지 않고, 전자의 위치를 핵 주위에서 전자가 발견될 확률로 나타낸다. 다시 말하면, 전자의 위치를 확률 분포 혹은 전자구름으로 표시한다. 

 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판