Name: atomic structure: protons, neutrons, and electrons
Uploaded: 2020-09-03T13:38:25.000Z
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K12 Standards

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Chemistry

Matter and its Interactions

PS.Chm.1.1

Subatomic Particles

돌턴의 원자론은 자연스럽게 원자 자체가 나누어질 수 있는가에 대한 의문을 낳았습니다. 일련의 후속 실험에서 원자는 실제로 아원자 입자라고 불리는 세 개의 기본 입자 즉 전자, 양성자, 중성자로 이루어져 있다는 것을 증명했습니다. 전자는 톰슨에 의해 발견되었습니다.

그는 음극선관의 양극을 향해 직선으로 이동하는 전하를 띤 입자의 빔을 관찰하였고 전기장과 자기장을 사용하여 이러한 빔을 휘게 만들었습니다. 톰슨은 이러한 입자들이 음전하를 띠며 원자에서 질량이 낮은 성분이라고 결론지었습니다. 후에 이런 입자들을 전자라고 부르게 되었습니다.

로버트 밀리컨은 전자가 1.6 곱하기 10의 마이너스 19승 쿨롬의 전하를 가지고 있다는 것을 발견하였습니다. 여기서 쿨롬은 SI 전하 단위입니다. 전자의 발견으로 원자는 더 이상 깰 수 없는 것으로 여겨지지 않았으며 원자 구조를 설명하는 모델이 제안되었습니다.

가장 성공적인 것은 어니스트 러더퍼드가 제안한, 그의 유명한 금박 실험을 바탕으로 한 핵 모형이었습니다. 이 실험에서 그는 얇은 금박 판에 양전하를 띤 알파 입자를 쏘았습니다. 대부분의 알파 입자들이 굴절되지 않고 금박을 통과했으며 이를 통해 그는 원자 내부에서 대부분의 공간이 비어 있다는 결론을 내렸습니다.

그러나 일부 입자들은 큰 각도로 흩어졌고 얼마 안 되는 입자들은 튕겨져 나왔는데 이를 통해 모든 양전하와 원자 질량의 대부분이 핵이라고 불리는 작은 중심부에 집중되어있다는 것을 확인했습니다. 러더퍼드는 또한 원자는 핵 주위의 빈 공간에 전자들을 가지고 있어 핵의 양전하와 균형을 이루고 원자의 전기적 중성을 유지한다는 가설을 세웠습니다.

아원자 입자

돌턴의 이론은 물질을 구성하는 입자에 관해 부분적으로만 옳았습니다. 모든 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 양성자, 중성자, 전자라는 세 개의 더 작은 아원자 입자로 구성되어 있습니다. 이 세 입자는 원자의 질량과 전하를 설명할 수 있습니다

전자의 발견

아원자 구조에 대한 첫 번째 단서는 19세기 말 J.J. 톰슨은 음극선관을 사용하여 전자를 발견했습니다. 이 장치는 거의 모든 공기가 제거되고 두 개의 금속 전극을 포함하는 밀봉된 유리관으로 구성되었습니다. 전극에 고전압을 가하면 음극선이라고 불리는 가시광선이 전극 사이에 나타납니다. 이 빔은 양전하 방향으로 편향되고 음전하 방향으로 편향되었으며, 전극에 다른 금속을 사용할 때 동일한 특성을 갖는 동일한 방식으로 생성되었습니다. 유사한 실험에서 광선은 적용된 자기장에 의해 동시에 편향되었습니다. 편향 정도와 자기장 강도를 측정하여 Thomson은 음극선 입자의 전하 대 질량 비율을 계산할 수 있었습니다. 이러한 측정 결과는 입자가 원자보다 훨씬 가볍다는 것을 나타냅니다. 그의 관찰을 바탕으로 Thomson은 다음을 제안했습니다.

<ol style="list-style-type: disc;">
	<li>입자는 양(+) 전하에 끌리고 음(-) 전하에 의해 반발된다. 따라서 음전하를 띠어야 한다(전하를 밀어내는 것과 전하를 끌어당기는 것과는 다르게).</li>
	<li>입자는 원자보다 질량이 적고 원료에 관계없이 구별할 수 없으므로 모든 원자의 기본, 아원자 구성 요소여야 한다.</li>
</ol>

Thomson의 음극선 입자는 원자보다 질량이 1000배 이상 작은 음전하를 띤 아원자 입자인 전자입니다. '전자'라는 용어는 1891년 아일랜드 물리학자 조지 스토니(George Stoney)가 '전기 이온'에서 따온 것입니다.

1909년에 Robert A. Millikan은 "기름 방울" 실험을 통해 전자의 전하를 계산했습니다. Millikan은 형성되는 마찰에 의해 또는 X선을 사용하여 전기적으로 충전될 수 있는 미세한 기름 방울을 만들었습니다. 이 물방울은 처음에는 중력으로 인해 떨어졌지만 장치의 낮은 전기장에 의해 하향 진행이 느려지거나 심지어 반전될 수도 있습니다. 전기장 강도를 조정하고 신중한 측정과 적절한 계산을 통해 Millikan은 개별 방울의 전하가 1.6 × 10^−19C(쿨롱)임을 확인할 수 있었습니다. 따라서 Millikan은 이 값이 단일 전자의 기본 전하임에 틀림없다고 결론지었습니다. 이제 Millikan의 연구로 전자의 전하가 알려졌고 Thomson의 연구로 전하 대 질량 비율(1.759 × 10^11 C/kg)이 이미 알려졌으므로 전자의 질량은 9.107 × 10^-31kg이라고 정의가 되었습니다.

<img alt="Eq1" src="https://www.jove.com/files/core/CDNSource/lessons/804/804_Equation_1.png" style="height: 35px;" />

러더퍼드의 핵 모델

이제 과학자들은 돌턴이 믿었던 것처럼 원자가 분할될 수 없다는 사실을 입증했으며, 톰슨, 밀리컨 등의 연구 덕분에 음의 아원자 입자인 전자의 전하와 질량이 알려졌습니다. 과학자들은 원자의 전체 전하가 중성이라는 것을 알고 있었습니다. 그러나 원자의 양전하 부분은 아직 잘 이해되지 않았습니다. 1904년에 톰슨은 원자의 "플럼 푸딩" 모델을 제안했는데, 이는 모든 원자가 전기적으로 중성이기 때문에 그 안에 내장된 전자의 형태로 동일한 양의 음전하를 지닌 양전하를 띤 질량을 기술한 것입니다. 1903년 나가오카 한타로(Hantaro Nagaoka)는 전자 후광으로 둘러싸인 양전하를 띤 구체로 구성된 토성과 유사한 원자를 가정한 경쟁 모델을 제안했습니다.

원자를 이해하는 데 있어 다음 주요 발전은 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)에게서 나왔습니다. 그는 라듐의 방사성 붕괴에 의해 생성된 고속 양전하 알파 입자(α 입자) 빔을 사용하여 일련의 실험을 수행했습니다. 그는 매우 얇은 금박 조각에 α 입자 빔을 겨냥하고 α 입자에 부딪힐 때 잠깐 빛을 내는 발광 스크린을 사용하여 결과적으로 α 입자가 산란되는 것을 조사했습니다. 그는 대부분의 입자가 전혀 휘어지지 않고 호일을 통과하는 것을 관찰했습니다. 그러나 일부는 약간 방향이 바뀌었고 매우 적은 수는 소스쪽으로 거의 직선으로 방향이 바뀌었습니다.

러더퍼드는 이를 통해 다음과 같은 사실을 추론했습니다. 빠르게 움직이는 대부분의 α 입자는 편향되지 않은 채 금 원자를 통과했기 때문에 틀림없이 원자 내부의 본질적으로 빈 공간을 통해 이동했습니다. 알파 입자는 양전하를 띠므로 다른 양전하를 만나면 편향이 발생합니다(전하가 서로 밀어내는 것처럼). 같은 전하들은 서로 반발하기 때문에, 갑자기 경로를 바꾼 소수의 양전하 α 입자들은 역시 고도로 집중된 양전하를 지닌 다른 물체에 부딪히거나 가까이 접근했음이 틀림없습니다. 편향은 짧은 시간 동안 발생했기 때문에 이 전하는 금박에서 아주 작은 공간만을 차지했습니다.

일련의 실험을 분석하여 러더퍼드는 두 가지 중요한 결론을 도출했습니다:

<ol>
	<li>원자가 차지하는 부피는 많은 양의 빈 공간으로 구성되어야 합니다.</li>
	<li>작고 상대적으로 무겁고 양전하를 띤 물체인 핵이 각 원자의 중심에 있어야 합니다.</li>
</ol>

이 분석을 통해 러더퍼드는 원자가 양전하를 띤 매우 작은 핵으로 구성되어 있으며 원자 질량의 대부분이 집중되어 있고 음전하를 띤 전자로 둘러싸여 있어 원자가 전기적으로 중성을 띠는 모델을 제안하게 되었습니다. 더 많은 실험을 거친 후, 러더퍼드는 또한 다른 원소의 핵이 “구성 요소”로 수소 핵을 포함하고 있다는 사실을 발견했으며, 그는 더 기본적인 입자를 핵에서 발견되는 양전하를 띤 아원자 입자인 양성자라고 명명했습니다.

원자의 구조

양성자는 원자핵에서 발견되며 양전하를 가지고 있습니다. 양성자의 수는 주기율표의 원자 번호와 동일하며 원소의 정체성을 결정합니다. 중성자는 핵에서도 발견됩니다. 중성자는 전하를 가지고 있지 않지만 양성자와 동일한 질량을 갖고 있으므로 원자의 원자 질량에 기여합니다. 전자는 구름 속의 핵 주위를 공전합니다. 전자는 음전하를 띠고 질량은 무시할 수 있으므로 원자의 전체 전하에 기여하지만 질량에는 기여하지 않습니다.

중성자

핵은 원자 질량의 거의 모든 것을 포함하는 것으로 알려져 있으며, 양성자의 수는 그 질량의 절반 이하만 제공합니다. 핵에 중성 입자의 존재를 포함하여 남은 질량을 구성하는 것이 무엇인지 설명하기 위해 다양한 제안이 이루어졌습니다. 1932년이 되어서야 제임스 채드윅(James Chadwick)은 양성자와 거의 같은 질량을 가진 전하를 띠지 않은 아원자 입자인 중성자의 증거를 발견했습니다.

중성자의 존재는 또한 동위원소를 설명합니다. 중성자 수가 다르기 때문에 질량이 다르지만 양성자 수가 같기 때문에 화학적으로 동일합니다.

원자 질량 단위(amu)와 기본 전하 단위(e)

양성자와 중성자는 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 핵은 원자 질량의 대부분을 차지하는 반면, 전자는 원자 부피의 거의 모든 부분을 차지합니다. 원자의 직경은 10^-10m 정도인 반면, 핵의 직경은 대략 10^-15m로 약 100,000배 더 작습니다. 원자와 이를 구성하는 양성자, 중성자, 전자는 매우 작습니다. 예를 들어, 탄소 원자의 무게는 2 × 10^−23 g 미만이고 전자의 전하량은 2 × 10^−19 C 미만입니다. 원자와 같은 작은 물체의 특성을 설명할 때 적절하게 작은 측정 단위는 다음과 같습니다. 원자 질량 단위(amu)와 기본 전하 단위(e)가 사용됩니다. amu는 가장 풍부한 탄소 동위원소와 관련하여 정의되며, 그 원자의 질량은 정확히 12 amu로 지정됩니다. 따라서 1 amu는 정확히 탄소-12 원자 1개 질량의 1/12입니다. 즉, 1 amu = 1.6605 × 10^−24 g입니다. 돌턴(Da)과 통일 원자 질량 단위(u)는 amu와 동일한 대체 단위입니다.

기본 전하 단위(기본 전하라고도 함)는 e = 1.602 × 10^−19 C인 전자 전하의 크기와 같습니다. 양성자의 질량은 1.0073 amu이고 전하는 1+입니다. 중성자는 질량이 1.0087 amu이고 전하가 0인 약간 더 무거운 입자입니다. 이름에서 알 수 있듯이 중립적입니다. 전자는 1-의 전하를 가지며 질량이 약 0.00055amu인 훨씬 가벼운 입자입니다. 참고로 양성자 1개의 질량과 같으려면 약 1800개의 전자가 필요합니다. 이러한 기본 입자의 특성은 다음 표에 요약되어 있습니다.

<table style="margin-left: auto; margin-right: auto;">
	<tbody style="border: 1px solid black;">
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">아원자 입자</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">전하(C)</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">단위 전하</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">질량(g)</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">질량(amu)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">전자</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">−1.602 × 10−19</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1−</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">0.00091 × 10−24</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">0.00055</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">양성자</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.602 × 10−19</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1+</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.67262 × 10−24</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.00727</td>
		</tr>
		<tr>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">중성자</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">0</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">0</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.67493 × 10−24</td>
			<td style="color: black; border: 1px solid black; text-align: center;">1.00866</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

이 문서는 에서 발췌되었습니다 <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/2-2-evolution-of-atomic-theory">Openstax, Chemistry 2e, Section 2.2: Evolution of Atomic Theory and  Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism</a>.

달턴은 물질을 구성하는 입자에 대해 부분적으로만 옳았다. 모든 물질은 원자로 구성되어 있으며 원자는 세 개의 더 작은 원자로 구성되어 있습니다.

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원자와 원소

KEY TERMS AND CONCEPTS

주요 용어 및 개념

atomic structure: protons, neutrons, and electrons

Atomic structure is built from three subatomic particles: protons, neutrons, and electrons. Atoms make up all matter, and these particles explain an atom’s mass and charge.

The electron was first identified at the end of the 19th century by J.J. Thomson. He used a cathode ray tube, a sealed glass tube with almost all the air removed and two metal electrodes. When high voltage was applied, a visible beam called a cathode ray formed. The beam bent toward positive charge and away from negative charge. It also behaved the same way no matter which metal was used. In related experiments, a magnetic field also deflected the ray. Thomson used these results to calculate a charge-to-mass ratio and showed that the particles were much lighter than atoms. He concluded that the particles were negatively charged, smaller than atoms, and present in all atoms. That particle is now called the electron.

Robert A. Millikan later measured the charge of the electron with his oil drop experiments in 1909. He made tiny oil droplets that could gain charge from friction or X-rays. Gravity pulled the droplets downward, but an electric field could slow them or reverse their motion. From careful measurements, Millikan found a charge of 1.6 × 10−19 C for a single drop. He concluded that this was the charge of one electron. With Thomson’s charge-to-mass ratio and Millikan’s charge value, the mass of the electron was calculated to be 9.107 × 10−31 kg.

These discoveries showed that Dalton’s atom was not indivisible. Scientists also explored how positive charge is arranged in the atom. Thomson proposed the plum pudding model in 1904, where electrons were embedded in a positively charged mass. In 1903, Hantaro Nagaoka suggested a Saturn-like atom with electrons around a positive sphere. Ernest Rutherford later tested the atom with alpha particle scattering. He aimed fast, positively charged alpha particles at thin gold foil and observed them with a glowing screen. Most particles passed through without deflection. Some were turned slightly, and a very small number bounced almost straight back. Rutherford concluded that atoms contain a lot of empty space and that a small, heavy, positively charged nucleus sits at the center.

Rutherford’s model placed most of an atom’s mass in the nucleus and the electrons around it so the atom stayed neutral. He also found that nuclei of other elements contain the hydrogen nucleus as a building block and named that particle the proton. Protons have a positive charge and are found in the nucleus. The number of protons equals the atomic number on the periodic table and identifies the element. Neutrons are also in the nucleus. They have no charge but have about the same mass as protons, so they add to atomic mass. Electrons move in clouds around the nucleus. They have a negative charge and very little mass, so they affect charge more than mass.

James Chadwick provided evidence for neutrons in 1932. Neutrons are uncharged subatomic particles with a mass similar to protons. Their discovery helped explain isotopes. Isotopes have different masses because they have different numbers of neutrons, but they are chemically identical because they have the same number of protons.

Atoms are extremely small, so chemists use smaller units such as the atomic mass unit, or amu, and the fundamental unit of charge, e. The nucleus is about 100,000 times smaller in diameter than the atom, but it contains most of the mass because protons and neutrons are much heavier than electrons. One amu is defined as 1/12 of the mass of a carbon-12 atom, and 1 amu equals 1.6605 × 10−24 g. The fundamental charge equals the charge of an electron, 1.602 × 10−19 C. A proton has a mass of 1.0073 amu and a charge of 1+. A neutron has a mass of 1.0087 amu and a charge of 0. An electron has a mass of about 0.00055 amu and a charge of 1−. About 1800 electrons have the mass of one proton.

Atomic Structure: Protons, Neutrons, and Electrons

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the atomic theory of matter

Dalton’s Laws and Early Atomic Ideas

Dalton’s atomic theory explains matter with atoms, elements, and compounds. It also shows how chemical changes follow simple laws. This idea gave chemistry a microscopic model for what can be seen in the lab. The earliest recorded ideas about matter came from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus said all matter was made of tiny, finite particles called atomos, meaning “indivisible.” Aristotle and others later argued that matter was made from four elements: fire, earth, air, and...

subatomic particles

Atomic structure is built from three subatomic particles: protons, neutrons, and electrons. Atoms make up all matter, and these particles explain an atom’s mass and charge. The electron was first identified at the end of the 19th century by J.J. Thomson. He used a cathode ray tube, a sealed glass tube with almost all the air removed and two metal electrodes. When high voltage was applied, a visible beam called a cathode ray formed. The beam bent toward positive charge and away from negative...

elements: chemical symbols and isotopes

Reading Element Symbols and Isotope Notation

Chemical symbols and isotope notation help identify elements and their atoms. A chemical symbol is an abbreviation for an element or a single atom of that element. Mercury, for example, is written as Hg. The same symbol can point to one atom in the microscopic domain or to many atoms of the element in a container or sample. Many symbols come from the element’s common English name. Others come from Latin, Greek, or German names. Aluminum uses Al, while iron uses Fe from the Latin word Ferrum.

ions and ionic charges

Predicting Ion Charges on the Periodic Table

Ion charges can often be predicted from an element’s position on the periodic table. In chemical reactions, the nucleus stays unchanged, but electrons may be transferred, lost, or shared. When atoms gain or lose electrons during compound formation, they become ions, which are electrically charged particles. A positive ion is called a cation. A cation has more protons than electrons because it lost electrons. A negative ion is called an anion. An anion has more electrons than protons because it...

the periodic table

Periodic Table Patterns and Element Groups

The periodic table organizes elements by repeating patterns in their properties. Chemists first noticed that some elements behaved alike, so they grouped them by chemical behavior. Lithium, sodium, and potassium are one example. They are shiny and conduct heat and electricity well. Calcium, strontium, and barium form another group with similar physical and chemical properties. Yet these two groups are not the same. The lithium group is much more reactive, and its elements form oxygen compounds...

atomic mass

Average Atomic Mass and Isotopes

Average atomic mass explains why many elements on the periodic table have decimal values. Atoms are extremely small, so scientists use the atomic mass unit, or amu, to measure them. A carbon atom weighs less than 2 × 10−23 g, and the amu is defined from carbon-12. One amu is exactly 1/12 the mass of one carbon-12 atom, which is 1.6605 × 10−24 g. The dalton (Da) and the unified atomic mass unit (u) mean the same thing as the amu. For a single atom, atomic mass is usually close to its mass...

molar mass

Mole, Mass, and Avogadro’s Number

The mole links mass and the number of particles in a substance. It gives chemists a standard way to count atoms and molecules in samples that are far too small to see. It also helps show why substances with the same kinds of atoms can still have very different properties, like water, H2O, and hydrogen peroxide, H2O2. The mole is an amount unit, like a pair or a dozen. One mole contains 6.02214076 × 10^23 discrete entities, such as atoms or molecules. This number is usually rounded to 6.022 ×...

key terms and concepts

Learn how Thomson, Millikan, Rutherford, and Chadwick revealed atomic structure, and how protons, neutrons, and electrons determine charge and mass.

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PS.Chm.1.3

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Use the Periodic Table as a model to predict the relative properties of elements based on the pattern of valence electrons in the outermost energy levels of atoms.

PS.Chm.2.1

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Atomic Radii and Effective Nuclear Charge

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The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy ...

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This process can be either ...

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PS.Chm.2.2

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

The Born-Haber Cycle

Lattice Energy&#xA0;

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a ...

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Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Electronegativity

Whether a bond is nonpolar or polar covalent is determined by a property of the bonding atoms called electronegativity.&#xA0;

Electronegativity values of ...

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Bond Polarity, Dipole Moment, and Percent Ionic Character

Bond Polarity

The absolute value of the difference in electronegativity (&Delta;EN) of two bonded atoms provides a rough measure of the polarity to be ...

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Lewis Structures of Molecular Compounds and Polyatomic Ions

To draw Lewis structures for complicated molecules and molecular ions, it is helpful to follow a step-by-step procedure as outlined:


	Determine the ...

Analyze and interpret data to explain the mechanisms and properties of the two main types of intramolecular (ionic and covalent) bonds.

PS.Chm.3.1

Analyze the structure of atoms and isotopes.

Atomic Structure: Protons, Neutrons, and Electrons

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