원자의 무게는 왜 소수점으로 나타나는가?

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원자 무게는 동위원소 무게의 평균치

 

모든 원소의 핵은 각기 일정한 양성자 수를 가졌지만, 그들의 핵이 가진 중성자의 수는 다를 수 있다. 수소를 예로 들자면, 수소의 핵은 1개의 양성자만 있고 중성자는 없다. 그런데 ‘중수소’(重水素 deuterium)라 부르는 수소는 핵에 1개의 양성자만 아니라 1개의 중성자도 가졌다. 더군다나 ‘삼중수소’(tritium)라 불리는 더 무거운 수소의 핵은 양성자 1개에 2개의 중성자가 있다. 이 세 가지 수소는 ‘수소의 동위원소’(同位元素 isotope)이다.

 

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그들은 중성자의 수가 다르지만 수소 고유의 성질은 변하지 않는다. 이처럼 같은 수의 양성자를 가지면서 중성자의 수가 다른 원자핵으로 이루어진 원소들을 동위원소라 한다. 그런데 대부분의 원소가 동위원소를 가졌다. 어떤 원소는 단 2가지 동위원소만 있지만, 수십 가지 동위원소를 가진 원소도 있다.

 

주기율표에서 원자무게를 나타내는 수를 보면, 자연수가 아니라 소수점이 붙어 있다. 이것은 그 원소가 가진 동위원소들의 원자무게를 평균으로 계산한 값이다. 예를 들어 주기율표에서 아르곤(Ar) 원소를 보면, 원자번호는 18인데, 원자무게는 39.95로 나타나 있다. 그리고 이것보다 원자번호가 하나 더 많은 원자번호 19인 칼륨(K)의 원자무게는 39.10이다. 이는 아르곤의 동위원소 중에 중성자를 39개 이상 가진 것들이 있기 때문이다. 그리고 원자번호 20인 칼슘(Ca)의 원자무게가 40.08로 표시된 것은, 칼슘의 동위원소 중에 중성자를 20개 이상 가진 것이 있어 평균치를 나타낸 것이다.

 

 

중성자와 양성자의 발견