5월의 작은 선인장

원소주기율표 분석하기 #1/3

원소주기율표를 공부하기 이전에 알아둬야 할 것들

드디어 원소주기율표에 대한 글을 쓰고자 합니다.
물리, 화학, 생물, 지구과학등 모든 자연계 과목과 대부분의 공대과목을 이수하기 위해서 기본적으로 숙지하고 있어야 하는 원소주기율표이지만 생각보다는 제대로 알고 있는 사람이 흔치 않은 것 같습니다.
그렇지만 많은 분들이 제대로 알고 계실 것이며, 저도 이 부분에 대해서 일부분 잊어버린 것이 있을 것 같아서 설명을 하기 전에 무척 걱정되는 부분도 있습니다. 틀린 부분은 즉각즉각 지적해 주셨으면 합니다.

또한 이 글에서 설명하는 내용은 고등학교 1학년때 배웠던 화학과목과 연관성이 높습니다. 당시에 중간고사 기간에 같은 반 아이들이 가르쳐 달라고 해서 물리적인 부분과 섞어서 가르쳤었는데, 제대로 알아들은 사람이 한 명도 없어서 오늘 이 글에서 제가 알아듣기 쉽게 설명할 수 있을지 걱정되는 면도 있습니다. 부족한 부분은 이해해주시고, 보충설명을 부탁하시면 최대한 빨리 보충설명을 해 드리도록 하겠습니다.

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르네상스 시대를 지나면서 유럽은 연금술이라는 웃지못할 학문이 발전하게 된다. 이 학문의 결과는 비록 원하는 금을 만들어 내지는 못했지만 많은 물질에 대한 지식을 축적하여 미래에 물리와 화학의 발전에 초석이 된다. 유명한 천재였던 영국의 Newton도 일생의 대부분을 연금술을 하는데 보냈다는 것은 이미 유명한 이야기다.

시간이 흘러서 많은 원소들이 알려지기 시작했고, 멘델레예프는 이들 사이의 규칙성을 찾아내어 대략적인 원소주기율표를 만들어냈다. 먼 훗날 0족원소가 발견되어 세로로 한 줄이 더 추가됐고, 몇몇 원소들은 자리가 뒤바뀐 것이 밝혀졌지만 몇몇은 알려지지 않은 원소의 성질까지 예견하는 등 멋진 업적으로 남아있게 됐다.

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원소주기율표를 살펴보기 위해서는 기본적인 물리학 법칙들을 알아둬야 한다.


1. 쿨롱의 법칙

이 법칙은 전하들간에 미치는 전자기력의 힘에 대한 공식이다. 전자기력은 전하의 크기에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례한다는 법칙이다. 원소주기율표를 알기 위해서는 정확한 수식을 계산하는 정도로는 필요가 없고, 대략적인 이미지만 갖고 있는 정도면 된다. (어떤 사람들은 이것을 오히려 더 어려워하는 경우도 있다.)


2. 파울리의 베타원리

원자 내에서의 전자는 주양자수, 부양자수, 스핀양자수라는 3가지 양자수를 갖게 된다. 스핀양자수는 전자가 어디에서나 갖는 고유한 물리량이다. 전자같은 반정수 스핀을 갖는 입자는 한 물리상태에 단 2개만 위치할 수 있다는 것이 베타원리이다. 전자의 스핀은 +1/2와 -1/2의 두개만 존재하기 때문이다.

만약 같은 전자가 한 물리상태로 들어오려고 하면 매우 강력히 반발하는데, 이렇게 만들기 위해서는 엄청나게 강한 압력을 가해야 한다. 이를 양자역학에서 축퇴라고 부르며, 지구상에서는 축퇴가 일어날 수가 없다.


3. 주양자수

세상의 모든 에너지는 입자성과 파동성이라는 두 개의 고유한 성질을 갖게 된다. 이를 이중성이라고 부르는데, 빛의 이중성과 물질의 이중성을 아인슈타인과 드브로이가 밝혀지기 이전에는 엄격히 구분하느라 많은 현상들에 대한 쉬운 원리를 놓치고 있었다.

원자 주위를 도는 전자는 파동성 때문에 자기 스스로 공명을 이루는 특성을 나타낸다.


이 때 원자핵을 1바퀴 도는 동안 진동하는 횟수를 주양자수라고 부른다. 이 의미는 실질적으로 원소주기율표를 공부하기 위해서는 필요가 없고, 그냥 대충 그런게 있나보다 하고 생각해 두자.

주양자수는 1부터 1씩 커지게 된다. 이름을 붙일 때는 K, L, M, N, O, P, Q, ..... 등의 영문 알파벳 대문자를 사용한다. 주양자수 1은 K원자껍질, 주양자수 2는 L원자껍질.... 하는 식의 연결방식만 알고 있으면 된다.

여담을 좀 하면 주양자수가 K부터 시작되는 것은 당시 원자물리학이 완전히 밝혀지지 않아서 주양자수를 원자모형에서가 아닌 분광학에서 정하게 되었다고 한다. 따라서 당시 실험기술로는 알아낼 수 없는 더 내부의 원자껍질이 존재할까봐 여유분을 남겨두기 위해서 A부터 시작하지 않고 K부터 시작하게 됐다는 이야기다. ^^;;;


4. 부양자수(오비탈,orbital)

보어에 의해서 거의 찍기 수준으로 주양자수가 처음 발견된 이후 원자구조에 의한 원소주기율표의 이해가 급진전하게 됐지만, 원소주기율표에서 나오는 고유한 값들은 해석되지 않고 있었다.

시간이 흘러서 드브로이가 물질파 개념을 도입하고, 슈뢰딩거가 물질파를 확장한 파동함수를 도입한 뒤에도 한동안 풀리지 않고 있었는데, 디랙이라는 수학에 천재적인 감각을 갖고 있던 물리학자는 원자 내 전자들이 많이 빠른 속도로 움직이고 있다는 것에 착안해 상대성이론에 의한 효과를 고려한 방정식을 만든다.

이 방정식의 해를 계산하다보면 순전히 수학적인 필요성에 의해서 여러가지 숫자들이 필요해 지는데 이를 우리는 부양자수라고 부른다. 부양자수는 훗날 전자들의 각운동량이라는 물리적 해석을 얻는다.

부양자수는 소문자 알파벳으로 불리는데 그 순서가 불규칙해 외워둬야 한다. (왜 이렇게 정했을까?)

s, p, d, f, g, h, i 까지만 알아두면 된다. (그 이후에는 쓰지 않는다.) 또 부양자수는 주양자수의 영향을 받아서 주양자수의 크기에 따라서 부양자수가 결정된다.


5. 양자수와 전자의 개수

예를 들어 주양자수 1인 K껍질에는 부양자수가 1뿐이다. 그러나 주양자수 2인 L껍질에는 부양자수가 1과 3을 갖는다. 부양자수는 하나 늘어날 때마다 홀수개씩 증가한다. 그래서 s는 1개, p는 3개, d는 5개, f는 7개, .... 등의 연관성을 갖는다.

스핀양자수에 의해서 같은 주양자수 같은 부양자수의 한 물리상태에는 2개의 전자가 들어갈 수 있으므로 한 주양자수(N)으로 생성되는 원자껍질에는 주양자수 제곱(N2)만큼의 방이 생기고, 주양자수 제곱의 두배만큼(2N2)의 전자가 들어갈 수 있게 된다.

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