원자 번호: 두 판 사이의 차이

[[파일:Atomic number depiction.jpg|thumb섬네일|alt=원자 번호 설명|300px|right|원소 기호 표기법에서의 위 첨자와 아래 첨자에 대한 설명. 원자 번호는 양성자의 수이자, 원자핵의 양전하 값이다.]]

[[파일:Bohr- atom-PAR model.svg|thumb섬네일|right|300px|[[수소 원자]] 혹은 수소 유사 이온({{nowrap|''Z'' {{=}} 1}})의 '''러더퍼드-보어 모형'''. 이 모형에서 중요한 점은 전자가 궤도 전이할 때 방출하는 광자 에너지(또는 진동수)가 원자 전하({{nowrap|''Z²''}})의 제곱에 비례한다는 것이다. [[헨리 모즐리 (물리학자)|헨리 모즐리]]가모즐리가 방사선을 통해 실험적으로 측정({{nowrap|''Z'' {{=}} 13 ~ 92}})한 결과 보어가 예측한 결과가 나왔다. 이를 통해 원자 번호의 개념과 보어 모형이 과학계에서 인정되었다.]]

[[화학 원소]]의 '''원자 번호'''(原子番號, {{llang|en|atomic number}}, ''Z'')는 [[원자핵]] 속에 있는 [[양성자]]의 수 또는 원자핵의 전하수이다. 원자 번호는 원소를 구분하는구별하는 기준이다. [[전하]]를 띠지 않는 원자의 원자 번호는 그 원자가 가진 [[전자]]의 수와 일치한다.

원자의 [[질량수]] ''A''는 원자 번호 ''Z''와 [[ 중성자수]] ''N''의 합이다. 전자의 질량은 충분히 무시할 만하고, 양성자와 중성자는 거의 같은 질량을 가지고 [[핵자]] 결합의 [[결합 에너지|질량 결손]]은 항상 핵자 질량보다 작기 때문에, [[원자 질량|상대적인 동위원소 질량]]을질량을 결정하는 [[원자 질량 단위]]로 나타내면 [[원자 질량]]은 전체 질량수 A의 1% 이내이다.

원자 번호 ''Z''가 같지만 중성자수 ''N'' 이 다른, 즉 원자 질량이 다른 원자들은원자들을 [[동위원소]]라고동위 원소라고 한다. 적어도 4분의 3 이상의 천연 원소들이 동위원소의 혼합물로 존재하며([[단일동위원소]] 참고), 평균 원자량은 원소의 표준 [[원자량]]으로 정의되었다정의됐다. 역사적으로 이는 19세기 화학자들이 측정할 수 있었던 원소(수소와 비교해서)의 원자량이었다.

일반적인 기호인기호 ''Z''는가 사용되며, [[독일어]]로 ''숫자''를 상징하는 {{lang|de|'''''Z'''ahl''}}에서 유래되었다. 원자 번호는 현대에 들어서 물리와 화학이 통합되기 전에는 당시 원자량에 따라 대략적이고정리된 불완전하게 정리된불완전한 [[주기율표]]에서 단순히 원소들의 숫자적인 위치를 나타내는 것나타낼 뿐이었다. 1915년이 되서야되어서야 원자번호가 핵 전하이고 물리적인 특징이라는 주장과 근거를근거가 통해,나와 {{lang|de|''Atom'''z'''ahl''|원자 번호}}라는 단어가 쓰이게 되었다.

[[파일:DIMendeleevCab.jpg|150px|left|thumb섬네일|러시아의 화학자 [[드미트리 멘델레예프]]는 원자량을 기준으로 정리한한 [[주기율표]]를 만들었다. 하지만 원자량으로 정리 시 일부 화학적 특성에 맞지 않는 부분들이 있었다.]]

[[드미트리 멘델레예프]]는 처음에 원자량에 따라 원소들을 배열해 주기율표를 만들었다.<ref name="dm1869">[http://www.aip.org/history/curie/periodic.htm The Periodic Table of Elements] {{웨이백|url=http://www.aip.org/history/curie/periodic.htm |date=20150910143402 }}, American Institute of Physics</ref> 하지만, 원소의 화학적 특성들을 고려해서 그는 약간 순서를 바꿔 [[텔루륨]](원자량 127.6)보다 [[아이오딘]](원자량 126.9)을 먼저 배치했다. <ref name="dm1869"/><ref>[http://www.rsc.org/chemsoc/visualelements/pages/history_ii.html The Development of the Periodic Table], Royal Society of Chemistry</ref> 이러한 배치는 양성자 수인 ''Z''를 기준으로 하는 현재의 주기율표와 일치하지만 그 당시에는 이해할 수 없었던이상한 것이었다부분이었다.

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 배열순서를배열 순서를 변경해야 했다. 그러나 원자번호가원자 번호가 명확하지 않은 화학적으로 유사한 란타넘 원소들이 점점 더 많이 발견되면서 루테튬(71) 후부터 원소를 주기적으로 번호매기는번호 매기는 것은 불확실하고 모순적이었다. ([[하프늄]]은 그당시그 당시 발견되지 않았다)

[[파일:Niels Bohr.jpg|140px|left|thumb섬네일|닐스 보어의 1913년 [[보어 모형|보어 원자 모형]]은 반 덴 브로에크(van den Broek)의 원자 번호를 필요로 했고, 보어는 모즐리의 연구가 모형에 크게 기여했다고 생각했다.]]

1913년, [[헨리 모즐리 (물리학자)|헨리 모즐리]]는 실험적으로 이를 실험적으로 입증했다.<ref>[http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/periodictable/pre16/order.doc Ordering the Elements in the Periodic Table], Royal Chemical Society</ref> 반 덴 브로에크의 가설을 통해 보어 [[보어 모형|원자 모형]]을 제시했고 마침 같은 실험실을 쓰고 있던 보어와 의논한 끝에, 모즐리는 들뜬 원자에서 방출하는 [[스펙트럼선]]을 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 관]]에서 이동시킬 수 있는 양극 표적인 알루미늄(''Z''&nbsp;=&nbsp;13)부터 금(''Z''&nbsp;=&nbsp;79)까지의 원자가 방출하는 가장 안쪽 껍질(K과 L) 전자의 파장을 측정했다.<ref>{{저널 인용|url=http://www.chemistry.co.nz/henry_moseley_article.htm |doi=10.1080/14786441308635052 |title=XCIII.The high-frequency spectra of the elements |journal=Philosophical Magazine |series=Series 6 |volume=26 |issue=156 |pages=1024 |year=1913 |last1=Moseley |first1=H.G.J. |deadurlurl-status=yesdead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20100122022821/http://www.materials.manchester.ac.uk/research/facilities/moseley/biography/ |archivedate=22 January 2010 |df=dmy }}</ref> 이러한 전자들(X선)의 진동수의 제곱근은 등차수열을 이루었다. 이를 통해 모즐리는 원자 번호와 계산된 원자핵의 전하, 즉 ''Z''가 일치한다고 결론지었고, 이를 [[모즐리의 법칙]]이라고 한다. 거기에 모즐리는 당시 제대로 밝혀지지 않았던, [[란타넘족]] 원소들이 15개([[란타넘]]부터 [[루테튬]]까지)인 사실을 알아냈다.

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.<ref>[[Eric Scerri]], ''A tale of seven elements,'' (Oxford University Press 2013) {{ISBN|978-0-19-539131-2}}, p.47</ref> 1918년부터 1947까지1947년까지, 이러한이 미발견 원소 7개는 모두 발견되었다. <ref>Scerri chaps. 3–9 (one chapter per element)</ref> 이때까지 4개의 초우라늄 원소들이 발견되어, 주기율표가 [[퀴륨]](''Z'' = 96)까지 빈틈없이 채워졌다.

1915년, 원자핵 전하가 ''Z'' 배수로 양자화되는 이유는 현재는 원자 번호와 같기 때문인 것으로 밝혀졌지만 당시에는 이해할이상한 수 없었던 것이었다부분이었다. [[프라우트의 가설]]이라 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 로이즈]]는 +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 [[핵반응]]을 통해 수소 원자핵들을 생성하는 데 성공했고,<ref>[http://www.nzhistory.net.nz/people/ernest-rutherford Ernest Rutherford | NZHistory.net.nz, New Zealand history online]. Nzhistory.net.nz (19 October 1937). Retrieved on 2011-01-26.</ref> 자신이 프라우트의 법칙을 증명했다고 믿었다생각했다. 1920년 그는 생성된 핵 입자들을 양성자라고 명명했다. (이전에는 프라우트의 이름을 딴 프라우톤(prouton)이나 원질 대신 양성자라고원질이라 불렀다.) 모즐리의 연구에서연구를 통해 무거운 원자들의 원자핵들이 [[수소]] 원자핵들로 만들어진 그 원소들로부터 예측되는 질량보다 2배는 더 된다는 것이 확실해졌고, 따라서 모든 무거운 원자핵에 존재하는 예상된추가적으로 여분의예상되는 [[양성자]]가들이 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 추정하였다생각하였다. 주기율표의 반대쪽 끝에서 수소 질량의 197배인 금 원자핵은 118개의 핵 전자를 가짐으로서 +79의 전하를 가져 원자 번호와 일치한다고 생각되었다보았다.