원자번호

원자번호(原子番號, atomic number)란 주기율표(periodic table)에서 각 원소마다 주어진 원소 고유의 순번이다. 원자 번호 1번 수소(Hydrogen, H), 2번 헬륨(Helium, He), 3번 리튬(Lithium, Li)부터 117번 테네신(Tennessine, Ts), 118번 오가네손(Oganesson, Og)에 이른다. 원자 번호는 주어진 원자의 원자핵 내 양성자 수(Z)와 같으며 원자는 전기적으로 중성이므로 원자가 갖는 전자의 수와도 정확히 일치한다. 원자의 원자 번호(Z)와 중성자의 수(N)를 알면 해당 원자의 질량수(A)를 알 수 있으며, 이때 질량수 A = 원자 번호 Z + 중성자 수 N이다. 원소의 기원을 이해하는데 있어 원자량보다 원자 번호가 기본이 되는데, 실제로 어떤 원소의 원자량은 정수보다 약간 크고, 또 어떤 원소의 경우 정수보다 약간 작다(즉, 원자량은 정수가 아니다). 이는 원소가 생성되는 핵융합 과정(수소 2개와 중성자 2개 융합을 통해 4He → C → O →Ne → Mg ... → Fe)에서 질량 일부가 에너지로 바뀌기 때문으로 주기율표상에서 수소에서 철로 가면서 원자량 값은 약간 크다가 점점 정수 이하로 내려가고 핵이 가장 안정한 철을 지나서는 정수로 다시 접근한다. 동위원소(isotope)는 원자핵 내 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 달라 질량수가 다른 원소 사이의 관계를 나타내며, 동위원소는 서로 양성자의 수가 같고 원자 번호는 양성자의 수로 결정되므로 동위원소는 서로 같은 원자 번호를 갖는다.

개요

원소 기호 표기법에서의 위 첨자와 아래 첨자에 대한 설명. 원자 번호는 양성자의 수이자, 원자핵의 양전하 값이다.

수소 원자 혹은 수소 유사 이온(Z = 1)의 러더퍼드-보어 모형. 이 모형에서 중요한 점은 전자가 궤도 전이할 때 방출하는 광자 에너지(또는 진동수)가 원자 전하(Z²)의 제곱에 비례한다는 것이다. 헨리 모즐리가 방사선을 통해 실험적으로 측정(Z = 13 ~ 92}})한 결과 보어가 예측한 결과가 나왔다. 이를 통해 원자 번호의 개념과 보어 모형이 과학계에서 인정되었다.

화학 원소의 원자 번호는 원자핵 속에 있는 양성자의 수 또는 원자핵의 전하수이다. 원자 번호는 원소를 구별하는 기준이다. 전하를 띠지 않는 원자의 원자 번호는 그 원자가 가진 전자의 수와 일치한다.

원자의 질량수 A는 원자 번호 Z와 중성자수 N의 합이다. 전자의 질량은 충분히 무시할 만하고, 양성자와 중성자는 거의 같은 질량을 가지고 핵자 결합의 질량 결손은 항상 핵자 질량보다 작기 때문에, 상대적인 동위원소 질량을 결정하는 원자 질량 단위로 나타내면 원자 질량은 전체 질량수 A의 1% 이내이다.

원자 번호 Z가 같지만 중성자수 N 이 다른, 즉 원자 질량이 다른 원자들을 동위 원소라고 한다. 적어도 4분의 3 이상의 천연 원소들이 동위원소의 혼합물로 존재하며(참고), 평균 원자량은 원소의 표준 원자량으로 정의됐다. 역사적으로 이는 19세기 화학자들이 측정할 수 있었던 원소(수소와 비교해서)의 원자량이었다.

기호 Z가 사용되며, 독일어로 숫자를 상징하는 Zahl에서 유래되었다. 원자 번호는 현대에 들어서 물리와 화학이 통합되기 전에는 당시 원자량에 따라 정리된 불완전한 주기율표에서 단순히 원소들의 숫자적인 위치를 나타낼 뿐이었다. 1915년이 되어서야 원자번호가 핵 전하이고 물리적인 특징이라는 주장과 근거가 나와 Atomzahl|원자 번호라는 단어가 쓰이게 되었다.

역사

주기율표와 각 원소의 자연수

원자 번호에 따라 원소들을 나열한 표를 주기율표라고 부르며, 원소들의 주기성이 나타난다.

드미트리 멘델레예프는 처음에 원자량에 따라 원소들을 배열해 주기율표를 만들었다. 하지만, 원소의 화학적 특성들을 고려해서 그는 약간 순서를 바꿔 텔루륨(원자량 127.6)보다 아이오딘(원자량 126.9)을 먼저 배치했다. 이러한 배치는 양성자 수인 Z를 기준으로 하는 현재의 주기율표와 일치하지만 그 당시에는 이상한 부분이었다.

하지만 단순히 주기율표의 위치에 따라 번호를 매긴 것은 문제가 많았다. 아이오딘과 텔루륨의 경우를 제외하고는 아르곤과 포타슘, 코발트와 니켈 같은 다른 경우들은 후에 거의 같거나 순서가 뒤바뀐 원자량을 가진 것으로 밝혀졌고, 그래서 화학적 특성을 맞추기 위해 배열 순서를 변경해야 했다. 그러나 원자 번호가 명확하지 않은 화학적으로 유사한 란타넘 원소들이 점점 더 많이 발견되면서 루테튬(71) 후부터 원소를 주기적으로 번호 매기는 것은 불확실하고 모순적이었다. (하프늄은 그 당시 발견되지 않았다)

러더퍼드-보어 모형과 반 덴 브로에크(van den Broek)

1911년에 어니스트 러더퍼드는 중심핵이 원자 질량의 대부분을 차지하고, 전자의 전하 단위에서 수소 원자의 개수로 표현하면 원자 질량의 절반과 거의 같은 양전하가 중심핵에 밀집되어 있는 모형을 제시했다. 이 때 원자핵의 전하는 원자 질량의 약 절반이 된다. (비록 러더포드가 추측한 단일 금 원자는 1=Z = 79, 1=A = 197로 약 25%가 다르더라도 말이다.) 러더퍼드가 금의 원자핵이 약 100의 전하를 가진다(주기율표에서 금의 1=Z = 79이다)고 생각했음에도 불구하고, 러더퍼드의 논문이 나온 지 한 달 후에 어니스트 반 덴 브로에크는 중심핵의 전하와 원자 내 전자의 개수가 주기율표에서 원소의 위치, 즉 원자 번호(Z)와 정확히 같다고 공식적으로 최초로 주장했다. 그리고 이것은 끝내 입증되었다.

1913년 모즐리의 실험

1913년, 헨리 모즐리는 이를 실험적으로 입증했다. 반 덴 브로에크의 가설을 통해 보어 원자 모형을 제시했고 마침 같은 실험실을 쓰고 있던 보어와 의논한 끝에, 모즐리는 들뜬 원자에서 방출하는 스펙트럼선을 관찰해서 보어 이론의 가정대로 스펙트럼선의 진동수와 원자 번호(Z)가 비례하는지를 확인함으로써 반 덴 브로에크의 가설과 보어의 가설을 실험적으로 직접 증명해 보고자 했다.

이를 위해 모즐리는 X선 관에서 이동시킬 수 있는 양극 표적인 알루미늄(Z = 13)부터 금(Z = 79)까지의 원자가 방출하는 가장 안쪽 껍질(K과 L) 전자의 파장을 측정했다. 이러한 전자들(X선)의 진동수의 제곱근은 등차수열을 이루었다. 이를 통해 모즐리는 원자 번호와 계산된 원자핵의 전하, 즉 Z가 일치한다고 결론지었고, 이를 모즐리의 법칙이라고 한다. 거기에 모즐리는 당시 제대로 밝혀지지 않았던, 란타넘족 원소들이 15개(란타넘부터 루테튬까지)인 사실을 알아냈다.

미발견 원소들

모즐리가 1915년에 죽은 후에, 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. 1918년부터 1947년까지, 이 미발견 원소 7개는 모두 발견되었다. 이때까지 4개의 초우라늄 원소들이 발견되어, 주기율표가 퀴륨(Z = 96)까지 빈틈없이 채워졌다.

전자와 원자핵 전하에 대한 견해

1915년, 원자핵 전하가 Z 배수로 양자화되는 이유는 현재는 원자 번호와 같기 때문인 것으로 밝혀졌지만 당시에는 이상한 부분이었다. 프라우트의 가설이라 불리는 오래된 견해는 모든 원소가, 가장 가벼운 원소이자 보어-러더퍼드 모형에서 단일 전자와 단일 전하를 가진 수소의 잔재물 또는 원질로 만들어졌다고 가정했다. 하지만 이미 1907년에 러더퍼드와 토마스 로이즈는 +2 전하를 가지는 α 입자가 질량이 수소의 2배가 아닌, 4배인 헬륨의 원자핵임을 보여주었다. 만약 프라우트의 가설이 맞다면, 일부는 더 무거운 원자의 핵에 존재하는 수소 원자핵의 일부 전하가 상쇄되어야 했다.

1917년에 러더퍼드는 α 입자와 질소 기체 사이에서의 핵반응을 통해 수소 원자핵들을 생성하는 데 성공했고, 자신이 프라우트의 법칙을 증명했다고 생각했다. 1920년 그는 생성된 핵 입자들을 양성자라고 명명했다. (이전에는 프라우트의 이름을 딴 프라우톤(prouton)이나 원질이라 불렀다) 모즐리의 연구를 통해 무거운 원자들의 원자핵들이 수소 원자핵들로 만들어진 그 원소들로부터 예측되는 질량보다 2배는 더 된다는 것이 확실해졌고, 따라서 모든 무거운 원자핵에 존재하는 추가적으로 예상되는 양성자들이 어떻게 상쇄되었는지에 대한 대한 가설이 필요했다. 헬륨 원자핵은 두 전하를 상쇄하기 위해 4 개의 양성자와 2개의 핵 전자(핵 내부에 결합되어 있는 전자)로 구성되어 있다고 생각하였다. 주기율표의 반대쪽 끝에서 수소 질량의 197배인 금 원자핵은 118개의 핵 전자를 가짐으로서 +79의 전하를 가져 원자 번호와 일치한다고 보았다.

중성자의 발견으로 양성자의 수가 된 Z

핵 전자를 둘러싼 수많은 논쟁들은 1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견하며 종결된다. 금 원자는 이제 118개의 핵 전자가 아닌 118개의 중성자를 가진 것으로 보고 있고, 양전하는 온전히 79개의 양성자로부터 발생하는 것으로 보고 있다. 따라서 1932년부터 원소의 원자번호 Z는 핵의 양성자 수와 같은 것으로 여기고 있다.

기호 Z

원자번호를 나타내는 기호인 Z는 독일어 단어인 Atomzahl(원자 번호)에서 유래된 것으로 보고 있다.하지만 1915년 이전에도 Zahl(숫자) 라는 단어가 주기율표에서 원소들의 할당 번호로 사용되었다.

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.

새로운 원소

새로운 원소의 탐구는 원자번호를 통해 이루어진다. 2018년 기준으로, 1부터 118번까지의 원소가 모두 발견되었다. 새로운 원소의 합성은 중금속 표적 원자에 이온을 충돌시킴으로써 이루어지며, 표적 원소와 이온의 원자 번호의 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.

목록

원소 주기율표

원자번호	기호	원소	영문 표기	원자량	녹는점 (m.p.)
1	H	수소(水素)	Hydrogen	1.0079	-259.14℃
2	He	헬륨	Helium	4.0026	-272.2℃(26atm)
3	Li	리튬	Lithium	6.94	180.54℃
4	Be	베릴륨	Beryllium	9.01218	1280℃
5	B	붕소(硼素)	Boron	10.81	2300℃
6	C	탄소(炭素)	Carbon	12.011	3550℃(비결정성)
7	N	질소(窒素)	Nitrogen	14.0067	-209.86℃
8	O	산소(酸素)	Oxygen	15.9994	-218.4℃
9	F	플루오린(弗素)	Fluorine	18.998	-219.62℃
10	Ne	네온	Neon	20.17	-248.67℃
11	Na	나트륨(소듐)	Sodium	22.9898	97.90℃
12	Mg	마그네슘	Magnesium	24.305	650℃
13	Al	알루미늄	Aluminium	26.98154	660.4℃
14	Si	규소(硅素)	Silicon	28.085	1414℃
15	P	인(燐)	Phosphorus	30.973	44.1(황린)
16	S	황(黃)	Sulfur	32.06	112.8℃(α)
17	Cl	염소(鹽素)	Chlorine	35.45	-100.98℃
18	Ar	아르곤	Argon	39.94	-189.2℃
19	K	칼륨(포타슘)	Potassium	39.0983	63.5℃
20	Ca	칼슘	Calcium	40.08	850℃
21	Sc	스칸듐	Scandium	44.9559	1539℃
22	Ti	타이타늄(티타늄)	Titanium	47.9	1675℃
23	V	바나듐	Vanadium	50.9415	1910℃
24	Cr	크로뮴(크롬)	Chromium	51.996	1907℃
25	Mn	망가니즈(망간)	Manganese	54.938	1,962℃
26	Fe	철(鐵)	Iron	55.84	1538℃
27	Co	코발트	Cobalt	58.9332	1494℃
28	Ni	니켈	Nickel	58.7	1455℃
29	Cu	구리(銅)	Copper	63.549	1084.5℃
30	Zn	아연(亞鉛)	Zinc	65.38	419.6℃
31	Ga	갈륨	Gallium	69.72	29.78℃
32	Ge	저마늄(게르마늄)	Germanium	72.59	958.5℃
33	As	비소(砒素)	Arsenic	74.9216	817℃(28atm)
34	Se	셀레늄	Selenium	78.96	144℃(결정)
35	Br	브로민(브롬)	Bromine	79.904	-7.2℃
36	Kr	크립톤	Krypton	83.3	-156.6℃
37	Rb	루비듐	Rubidium	85.4678	38.89℃
38	Sr	스트론튬	Strontium	87.62	769℃
39	Y	이트륨	Yttrium	88.9059	1495℃
40	Zr	지르코늄	Zirconium	91.22	1852℃
41	Nb	나이오븀(니오븀)	Niobium	92.9064	2468℃
42	Mo	몰리브데넘]](몰리브덴)	Molybdenum	95.94	2610℃
43	Tc	테크네튬	Technetium	97	2200℃
44	Ru	루테늄	Ruthenium	101.17	2250℃
45	Rh	로듐	Rhodium	102.9055	1963℃
46	Pd	팔라듐	Palladium	106.4	1555℃
47	Ag	은(銀)	Silver	107.868	961.9℃
48	Cd	카드뮴	Cadmium	112.41	321.1℃
49	In	인듐	Indium	114.82	156.63℃
50	Sn	주석(朱錫)	Tin	118.69	231.97℃
51	Sb	안티모니(안티몬)	Antimony	121.75	630.7℃
52	Te	텔루륨(텔루르)	Tellurium	127.6	449.8℃
53	I	아이오딘(요오드)	Iodine	126.904	113.6℃
54	Xe	제논(크세논)	Xenon	131.3	-111.9℃
55	Cs	세슘	Cesium	132.9054	28.5℃
56	Ba	바륨	Barium	137.33	725℃
57	La	란타넘(란탄)	Lanthanum	138.9055	920℃
58	Ce	세륨	Cerium	140.12	795℃
59	Pr	프라세오디뮴	Praseodymium	140.9077	935℃
60	Nd	네오디뮴	Neodymium	144.24	1024℃
61	Pm	프로메튬	Promethium	147	1080℃
62	Sm	사마륨	Samarium	150.4	1072℃
63	Eu	유로퓸	Europium	151.96	826℃
64	Gd	가돌리늄	Gadolinium	157.2	1312℃
65	Tb	터븀(테르븀)	Terbium	158.9254	1356℃
66	Dy	디스프로슘	Dysprosium	162.5	1407℃
67	Ho	홀뮴	Holmium	164.93	1461℃
68	Er	어븀(에르븀)	Erbium	167.26	1522℃
69	Tm	툴륨	Thulium	168.9342	1545℃
70	Yb	이터븀(이테르븀)	Ytterbium	173.04	824℃
71	Lu	루테튬	Lutetium	174.97	1652℃
72	Hf	하프늄	Hafnium	178.49	2150℃
73	Ta	탄탈럼(탄탈)	Tantalum	180.947	2996℃
74	W	텅스텐	Tungsten	183.8	3387℃
75	Re	레늄	Rhenium	186.207	3180℃
76	Os	오스뮴	Osmium	190.2	2700℃
77	Ir	이리듐	Iridium	192.2	2447℃
78	Pt	백금(白金)	Platinum	195.09	1772℃
79	Au	금(金)	Gold	196.9665	1064℃
80	Hg	수은(水銀)	Mercury	200.59	-38.86℃
81	Tl	탈륨	Thallium	204.3	302.5℃
82	Pb	납	Lead	207.2	327.5℃
83	Bi	비스무트	Bismuth	208.9804	271.44℃
84	Po	폴로늄	Polonium	209	254℃
85	At	아스타틴	Astatine	210	336.8℃
86	Rn	라돈	Radon	222	-71℃
87	Fr	프랑슘	Francium	223	27℃
88	Ra	라듐	Radium	226.03	700℃
89	Ac	악티늄	Actinium	227.03	1050℃
90	Th	토륨	Thorium	232.0381	~1800℃
91	Pa	프로트악티늄(프로탁티늄)	Protactinium	231.0359	1230℃
92	U	우라늄	Uranium	238.029	1133℃
93	Np	넵투늄	Neptunium	237.0482	640℃
94	Pu	플루토늄	Plutonium	244	639.5℃
95	Am	아메리슘	Americium	243	1176℃
96	Cm	퀴륨	Curium	247	1340℃
97	Bk	버클륨	Berkelium	247	986℃(β)
98	Cf	캘리포늄(칼리포르늄)	Californium	251	900℃
99	Es	아인슈타이늄	Einsteinium	252	860℃
100	Fm	페르뮴	Fermium	257	1527℃
101	Md	멘델레븀	Mendelevium	258	827℃
102	No	노벨륨	Nobelium	259	827℃
103	Lr	로렌슘	Lawrencium	266	1627℃
104	Rf	러더포듐	Rutherfordium	267	2100℃
105	Db	더브늄	Dubnium	268
106	Sg	시보귬	Seaborgium	269
107	Bh	보륨	Bohrium	270
108	Hs	하슘	Hassium	277
109	Mt	마이트너륨	Meitnerium	278
110	Ds	다름슈타튬	Darmstadtium	281
111	Rg	뢴트게늄	Roentgenium	282
112	Cn	코페르니슘	Copernicium	285	10 ± 11 °C
113	Nh	니호늄	Nihonium	286
114	Fl	플레로븀	Flerovium	289	−73 °C
115	Mc	모스코븀	Moscovium	290	430 °C
116	Lv	리버모륨	Livermorium	293	440 °C
117	Ts	테네신	Tennessine	294	450 °C
118	Og	오가네손	Oganesson	294	52 ± 15 °C

참고자료

• 파일:2020-10-09 원소 주기율표 (서창녕).pdf
• 〈원자 번호〉, 《위키백과》
• 〈원자 번호〉, 《화학백과》
• 〈번호〉, 《나무위키》

같이 보기

• 원소
• 질량수

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