러더퍼드 원자 모형

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1. 개요

러더퍼드 원자 모형은 1911년 어니스트 러더퍼드가 제시한 원자 모형으로, 원자 내부에 양전하를 띠는 작고 밀도가 높은 원자핵이 존재하며, 전자는 원자핵 주위를 회전한다는 가설을 세웠다. 이 모형은 알파 입자 산란 실험 결과를 바탕으로 제시되었으며, 기존의 건포도 푸딩 모형과 토성 모형의 한계를 극복했다. 러더퍼드 모형은 원자핵의 발견과 핵물리학 발전에 기여했으나, 전자의 궤도 안정성 문제와 선 스펙트럼 설명 불가 등의 한계를 보였으며, 이후 닐스 보어에 의해 보어 원자 모형으로 발전하였다.

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러더퍼드 원자 모형
지도 정보
모형 정보
이름	러더퍼드 모형
다른 이름	행성 모형, 핵 모형
고안자	어니스트 러더퍼드
발표 연도	1911년
관련 실험	알파 입자 산란 실험
이전 모형	톰슨의 원자 모형
다음 모형	보어 모형
모형 설명
중심	양전하를 띤 작은 핵
주변	핵 주위를 공전하는 전자
특징	원자의 대부분은 빈 공간이다. 핵은 원자 질량의 대부분을 차지한다. 전자는 핵 주위를 행성처럼 공전한다.
모형의 한계
문제점	전자가 원자핵 주위를 돌면서 에너지를 잃고 핵으로 빨려 들어갈 수 있음. 원자가 방출하는 빛의 스펙트럼을 설명할 수 없음.
언어별 명칭
영어	Rutherford model
일본어	ラザフォードの原子模型 (라자후도노 겐시모케이)
한국어	러더퍼드 원자 모형

2. 역사적 배경

1800년대에는 원자에 대한 여러 추측성 아이디어들이 논의되었다. J. J. 톰슨은 전자를 발견하고, 이를 바탕으로 건포도 푸딩 모형을 개발했다.

장 바티스트 페랭은 1901년에 태양계와 유사한 원자 모형을 제안했다. 이 모형은 매우 강한 전하를 띤 "양의 태양" 주위에 전자가 "작은 음의 행성"처럼 돌고 있다는 것이었다. 나가오카 한타로는 1904년에 토성의 고리를 본뜬 모형을 제안했으나, 원자 분광학의 결과와 일치하지 않아 인기를 잃었다.

1911년, 어니스트 러더퍼드는 실험 결과를 바탕으로 원자 모형을 발표했다. 이 모형은 원자 내부에 전자가 중심 전하(오늘날의 원자핵) 주위를 구름처럼 떠도는 형태였다. 러더퍼드는 원자의 작은 중심 영역에 양전하 또는 음전하가 집중되어 있다는 점을 강조했다.^[2] 그는 금 원자의 중심 전하 반지름이 3.4e-14보다 작다는 계산 결과를 얻었는데, 이는 금 원자 반지름(1e-10)의 3000분의 1에 불과한 매우 작은 값이었다.

러더퍼드의 모형은 원자의 전하와 질량이 중심에 집중되어 있음을 밝혔지만, 전자의 궤도에 대해서는 구체적으로 언급하지 않았다. 다만, 나가오카 한타로와 톰슨의 모형처럼 전자가 고리 모양 궤도를 그린다는 점을 언급했다.

러더퍼드는 원자의 중심 전하량이 원자 질량에 "비례"한다고 보았지만, 중심 전하와 원자 번호를 직접 연결하지는 않았다. 이후 안토니우스 판 덴 브로크가 원자 번호와 핵 전하가 같다는 제안을 했고, 2년 후 헨리 모즐리가 실험을 통해 이를 확인했다.

2. 1. J.J. 톰슨의 건포도 푸딩 모형

J. J. 톰슨은 음극선 연구를 통해 전자를 발견하고, 이를 바탕으로 1904년에서 1906년 사이에 건포도 푸딩 모형이라고 불리는 원자 모형을 개발했다. 이 모형은 양전하를 띤 균일한 구체 내에 음전하를 띤 전자가 박혀 있는 형태였다. 톰슨은 전자가 동심원형으로 움직이는 정교한 모형을 만들었지만, 전자의 음전하와 균형을 맞추는 양전하의 구성은 명확히 밝히지 않았다. 톰슨은 자신의 원자 모형에서 빠른 베타 입자의 편향에 대한 공식을 개발하여 실험 결과와 비교했지만, 러더퍼드가 알파 입자를 사용하여 수행한 실험은 결국 톰슨의 모형이 정확하지 않다는 것을 보여주었다.

2. 2. 나가오카 한타로의 토성 모형

나가오카 한타로는 1904년에 토성의 고리 모양을 본뜬 원자 모형을 제안했다. 이 모형에서 전자는 원자핵 주위를 고리 모양으로 회전한다고 가정했다. 그는 모형의 안정성을 위해 중심 전하가 고리 입자 전하의 10,000배라고 계산했다. 그러나 조지 A. 쇼트는 1904년에 나가오카의 모형이 원자 분광학의 실험 결과와 일치하지 않음을 보였고, 이 모형은 인기를 잃었다.

2. 3. 장 바티스트 페랭의 태양계 모형

장 바티스트 페랭은 1901년 논문에서 J. J. 톰슨의 발견을 바탕으로 원자에 대한 태양계와 같은 모형을 제안했다. 이 모형은 매우 강한 전하를 띤 "양의 태양" 주위에 "미립자, 일종의 작은 음의 행성"(오늘날의 전자)이 있는 형태였다. 페랭은 이 가설이 광전 효과, 방출 스펙트럼, 방사능과 같이 당시 설명되지 않았던 중요한 현상들을 설명할 수 있다고 보았다.

3. 가이거-마즈든 실험 (금박 실험)

어니스트 러더퍼드는 라돈과 같은 몇몇 원소들이 양전하를 띤 알파 입자를 방출하는 것을 알고 있었다. 그는 한스 가이거와 어니스트 마즈든에게 얇은 금박에 알파 입자를 쏘는 실험을 하도록 지시했다.^[3]

실험 결과, 대부분의 알파 입자는 금박을 거의 굴절되지 않고 통과했지만, 약 20000개 중 1개 정도는 매우 큰 각도로 굴절되거나 튕겨 나왔다. 이는 조지프 존 톰슨의 건포도 푸딩 모형으로는 설명할 수 없는 현상이었다. 톰슨의 모형에 따르면, 알파 입자는 원자 내부의 양전하에 의해 약간만 휘어져야 하기 때문이다.

이 실험 결과는 러더퍼드가 새로운 원자 모형을 제안하는 계기가 되었다. 그는 원자의 중심에 양전하가 집중된 원자핵이 있고, 그 주위를 전자들이 돌고 있다고 보았다.

3. 1. 실험 설계 및 결과

어니스트 러더퍼드는 라돈과 같은 몇몇 원소들이 양전하를 띤 알파입자를 방출하는 것을 알고 있었다. 그는 두 명의 학생, 가이거와 마즈든에게 몇 원자 층 정도로 얇은 백금 박편에 알파입자를 쪼여보도록 지시하였다.^[3]

실험 결과, 금박을 통과한 알파입자 중 크게 휘어지는 알파입자가 발견되었다. 러더퍼드는 금박에서 반사되어 뒤로 나오는 알파입자를 조사하도록 지시하였다. 반사되는 알파입자를 조사한 결과, 알파입자 20000개 중 한 개 정도가 매우 큰 각도로 굴절되었고 대부분은 거의 굴절되지 않고 박막을 통과하였다.

1908년과 1910년에 러더퍼드 연구실의 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 알파 입자가 금박에서 때때로 반사될 수 있다는 것을 보여주었다. 만약 톰슨의 주장이 맞다면, 빔은 매우 작은 편향을 가지고 금박을 통과할 것이다. 실험에서 대부분의 빔은 금박을 통과했지만, 일부는 편향되었다.

1911년 5월 논문에서 러더퍼드는 예상치 못한 실험 결과에 대한 해석으로 원자 내부 구조에 대한 자신의 물리적 모형을 제시했다. 이 모형에서 원자는 중심 전하(이는 현대의 원자핵이지만 러더퍼드는 그의 논문에서 "핵"이라는 용어를 사용하지 않았다)로 구성된다. 러더퍼드는 원자 내 매우 높은 양전하 또는 음전하를 띠는 작은 중심 영역에만 헌신했다.

구체적으로, 높은 속도의 α 입자가 양의 중심 전하 ''N'' ''e''를 가지고 보상 전하 ''N''개의 전자로 둘러싸인 원자를 통과하는 것을 생각해 보라.

알려진 속도의 입자가 100 e의 중심 전하를 얼마나 깊이 관통할 수 있는지에 대한 에너지 고려만을 사용하여, 러더퍼드는 그의 금 중심 전하의 반지름이 3.4 × 10⁻¹⁴ 미터보다 작아야 한다는 것을 계산할 수 있었다(얼마나 작은지는 알 수 없었다). 이것은 반지름이 약 10⁻¹⁰ 미터인 금 원자에서 매우 놀라운 발견이었는데, 이는 원자 지름의 3000분의 1 미만인 강한 중심 전하를 의미했기 때문이다.

주요 지표는 다음과 같다.

원자의 전자 구름은 알파 입자 산란에 (실질적으로) 영향을 미치지 않는다.
원자의 양전하 대부분은 오늘날 원자핵으로 알려진 원자 중심의 비교적 작은 부피에 집중되어 있다. 이 전하의 크기는 원자의 원자 질량의 (대략 절반까지의 전하 수에 해당하는) 비례한다. 나머지 질량은 현재 대부분 중성자에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이렇게 집중된 중심 질량과 전하는 알파 입자와 베타 입자 모두를 산란시키는 역할을 한다.
금과 같은 무거운 원자의 질량은 대부분 중심 전하 영역에 집중되어 있는데, 계산에 따르면 전자에 비해 매우 높은 운동량을 가지고 있는 고속 알파 입자에 의해 편향되거나 이동되지 않지만, 전체적으로 무거운 원자에는 그렇지 않기 때문이다.
원자 자체는 핵의 지름보다 약 10만 배(10⁵) 크다. 이것은 축구장 한가운데 모래알을 놓는 것과 비슷하다.

3. 2. 러더퍼드의 해석

만약 원자가 양전하를 띤 젤리 방울 같다면 대부분의 알파입자들은 박편에 산재해 있는 양전하를 쉽게 통과하게 되고 가끔만 진행방향을 약간 휘게 될 것이다. 그러나 알파입자가 반사되는 이 현상은 러더퍼드의 말을 빌리자면

> 이 현상은 화장지 조각에 15인치 포탄을 발사했는데 반사되어 돌아온 것만큼 놀라운 일이다.^[4]

이라고 표현할 수 있을 정도로 기존의 설명으로는 불가능한 현상이었다.

러더퍼드는 충돌에서 알파 입자를 전체적으로 되튀게 하는 효과적인 유일한 방법은 원자의 모든 양전하를 한 점에 모으는 것이라고 추론했다. 즉, 양전하의 전부와 질량의 대부분이 작은 원자핵에 밀집되어 있기에 알파입자의 극히 일부가 핵에 정통으로 부딪혀서 매우 큰 각도로 굴절할 수 있다고 제시하였다.

1911년 5월 논문에서 러더퍼드는 예상치 못한 실험 결과에 대한 해석으로 원자 내부 구조에 대한 자신의 물리적 모형을 제시했다. 이 모형에서 원자는 중심 전하(이는 현대의 원자핵이지만 러더퍼드는 그의 논문에서 "핵"이라는 용어를 사용하지 않았다)로 구성된다. 러더퍼드는 원자 내 매우 높은 양전하 또는 음전하를 띠는 작은 중심 영역에만 헌신했다.

> 구체적으로, 높은 속도의 α 입자가 양의 중심 전하 ''N'' ''e''를 가지고 보상 전하 ''N''개의 전자로 둘러싸인 원자를 통과하는 것을 생각해 보라.

알려진 속도의 입자가 100 e의 중심 전하를 얼마나 깊이 관통할 수 있는지에 대한 에너지 고려만을 사용하여, 러더퍼드는 그의 금 중심 전하의 반지름이 3.4 × 10⁻¹⁴ 미터보다 작아야 한다는 것을 계산할 수 있었다(얼마나 작은지는 알 수 없었다). 이것은 반지름이 약 10⁻¹⁰ 미터인 금 원자에서 매우 놀라운 발견이었는데, 이는 원자 지름의 3000분의 1 미만인 강한 중심 전하를 의미했기 때문이다.

러더퍼드 모형은 원자의 많은 전하와 질량을 매우 작은 중심부에 집중시키는 역할을 했지만, 나머지 전자와 나머지 원자 질량에는 어떠한 구조도 부여하지 않았다. 나가오카 한타로의 원자 모형을 언급했는데, 이 모형에서는 전자가 하나 이상의 고리로 배열되며, 안정적인 토성의 고리라는 특정한 비유적 구조를 가지고 있다. 건포도 푸딩 모형(J. J. 톰슨) 또한 궤도를 도는 전자의 고리를 가지고 있었다.

러더퍼드의 논문은 원자의 중심 전하가 수소 질량 단위 u로 표현되는 원자 질량에 "비례"할 수 있다고 제안했다(러더퍼드의 모형에서 대략 절반). 금의 경우 이 질량수는 197(당시에는 정확하게 알려지지 않았음)이므로 러더퍼드는 이를 196 u로 모델링했다. 그러나 러더퍼드는 중심 전하를 원자 번호와 직접 연결하려고 시도하지 않았는데, 당시 금의 "원자 번호"(주기율표에서의 위치 번호)는 79였고, 러더퍼드는 전하를 약 +100 단위로 모델링했기 때문이다(실제로 그는 196의 절반을 만들기 위해 98단위의 양전하를 제안했다). 따라서 러더퍼드는 두 숫자(주기율표 위치 79와 핵전하 98 또는 100)가 정확히 같을 수 있다고 공식적으로 제안하지 않았다.

1913년 안토니우스 판덴브룩은 핵전하와 원자량이 연결되어 있지 않다고 제안하여, 원자 번호와 핵전하가 같다는 생각의 길을 열었다. 이 아이디어는 러더퍼드의 연구팀에 의해 곧 채택되었고, 2년 이내에 헨리 모즐리에 의해 실험적으로 확인되었다.

주요 지표는 다음과 같다.

원자의 전자 구름은 알파 입자 산란에 (실질적으로) 영향을 미치지 않는다.
원자의 양전하 대부분은 오늘날 원자핵으로 알려진 원자 중심의 비교적 작은 부피에 집중되어 있다. 이 전하의 크기는 원자의 원자 질량의 (대략 절반까지의 전하 수에 해당하는) 비례한다. 나머지 질량은 현재 대부분 중성자에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이렇게 집중된 중심 질량과 전하는 알파 입자와 베타 입자 모두를 산란시키는 역할을 한다.
금과 같은 무거운 원자의 질량은 대부분 중심 전하 영역에 집중되어 있는데, 계산에 따르면 전자에 비해 매우 높은 운동량을 가지고 있는 고속 알파 입자에 의해 편향되거나 이동되지 않지만, 전체적으로 무거운 원자에는 그렇지 않기 때문이다.
원자 자체는 핵의 지름보다 약 10만 배(10⁵) 크다. 이것은 축구장 한가운데 모래알을 놓는 것과 비슷하다.

4. 러더퍼드 모형

러더퍼드 모형은 알파 입자를 이용한 실험 결과를 바탕으로, 원자의 중심에 양전하를 띤 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있다는 새로운 원자 모형이다.

1911년 5월 논문에서 러더퍼드는 원자 내부 구조에 대한 자신의 물리적 모형을 제시했다. 이 모형에서 원자는 중심 전하(이는 현대의 원자핵이지만 러더퍼드는 그의 논문에서 "핵"이라는 용어를 사용하지 않았다)로 구성된다. 러더퍼드는 원자 내 매우 높은 양전하 또는 음전하를 띠는 작은 중심 영역에만 헌신했다.

> 구체적으로, 높은 속도의 α 입자가 양의 중심 전하 ''N'' ''e''를 가지고 보상 전하 ''N''개의 전자로 둘러싸인 원자를 통과하는 것을 생각해 보라.

러더퍼드 모형은 원자의 많은 전하와 질량을 매우 작은 중심부에 집중시키는 역할을 했지만, 나머지 전자와 나머지 원자 질량에는 어떠한 구조도 부여하지 않았다. 나가오카 한타로의 원자 모형을 언급했는데, 이 모형에서는 전자가 하나 이상의 고리로 배열되며, 안정적인 토성의 고리라는 특정한 비유적 구조를 가지고 있다. 건포도 푸딩 모형(J. J. 톰슨) 또한 궤도를 도는 전자의 고리를 가지고 있었다.

러더퍼드의 논문은 원자의 중심 전하가 수소 질량 단위 u로 표현되는 원자 질량에 "비례"할 수 있다고 제안했다(러더퍼드의 모형에서 대략 절반). 금의 경우 이 질량수는 197(당시에는 정확하게 알려지지 않았음)이므로 러더퍼드는 이를 196 u로 모델링했다. 그러나 러더퍼드는 중심 전하를 원자 번호와 직접 연결하려고 시도하지 않았는데, 당시 금의 "원자 번호"(주기율표에서의 위치 번호)는 79였고, 러더퍼드는 전하를 약 +100 단위로 모델링했기 때문이다(실제로 그는 196의 절반을 만들기 위해 98단위의 양전하를 제안했다). 따라서 러더퍼드는 두 숫자(주기율표 위치 79와 핵전하 98 또는 100)가 정확히 같을 수 있다고 공식적으로 제안하지 않았다.

1913년 안토니우스 판덴브룩은 핵전하와 원자량이 연결되어 있지 않다고 제안하여, 원자 번호와 핵전하가 같다는 생각의 길을 열었다. 이 아이디어는 러더퍼드의 연구팀에 의해 곧 채택되었고, 2년 이내에 헨리 모즐리에 의해 실험적으로 확인되었다.

4. 1. 원자핵의 발견

러더퍼드 원자모형은 최초로 원자핵의 존재를 밝혀낸 모형이다.^[5] 1911년 5월 논문에서 러더퍼드는 원자 내부 구조에 대한 자신의 물리적 모형을 제시했다. 이 모형에서 원자는 중심 전하(이는 현대의 원자핵이지만 러더퍼드는 그의 논문에서 "핵"이라는 용어를 사용하지 않았다)로 구성된다. 러더퍼드는 원자 내 매우 높은 양전하 또는 음전하를 띠는 작은 중심 영역에만 헌신했다.^[2]

러더퍼드의 원자핵 모형은 1899년 러더퍼드가 발견한 방사선의 한 형태인 알파 입자를 이용한 일련의 실험에서 비롯되었다. 1908년과 1910년에 러더퍼드 연구실의 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 알파 입자가 금박에서 때때로 반사될 수 있다는 것을 보여주었다. 실험에서 대부분의 빔은 금박을 통과했지만, 일부는 편향되었다.

알려진 속도의 입자가 100 e의 중심 전하를 얼마나 깊이 관통할 수 있는지에 대한 에너지 고려만을 사용하여, 러더퍼드는 그의 금 중심 전하의 반지름이 3.4 × 10⁻¹⁴ 미터보다 작아야 한다는 것을 계산할 수 있었다(얼마나 작은지는 알 수 없었다). 이것은 반지름이 약 10⁻¹⁰ 미터인 금 원자에서 매우 놀라운 발견이었는데, 이는 원자 지름의 3000분의 1 미만인 강한 중심 전하를 의미했기 때문이다.

러더퍼드 모형의 주요 지표는 다음과 같다.

원자의 전자 구름은 알파 입자 산란에 (실질적으로) 영향을 미치지 않는다.
원자의 양전하 대부분은 오늘날 원자핵으로 알려진 원자 중심의 비교적 작은 부피에 집중되어 있다. 이 전하의 크기는 원자의 원자 질량의 (대략 절반까지의 전하 수에 해당하는) 비례한다. 나머지 질량은 현재 대부분 중성자에 기인하는 것으로 알려져 있다.
금과 같은 무거운 원자의 질량은 대부분 중심 전하 영역에 집중되어 있다.
원자 자체는 핵의 지름보다 약 10만 배(10⁵) 크다.

4. 2. 원자 구조에 대한 가정

러더퍼드 원자 모형은 원자핵이 존재하고 전자가 원자핵 주위에 존재한다는 혁신적인 가정을 제시했다.^[6] 러더퍼드는 1911년 5월 논문에서 원자 내부 구조에 대한 자신의 물리적 모형을 제시했다. 이 모형에서 원자는 중심 전하(현대의 원자핵이지만 러더퍼드는 "핵"이라는 용어를 사용하지 않았다)로 구성되며, 전자가 그 주위를 구름처럼 떠돌아다닌다고 설명했다.

>“구체적으로, 고속의 알파 입자가 원자를 통과한 경로로부터 원자에는 양의 중심 전하 ''Ne''가 있으며, 그것과 반대로 대전된 ''N''개의 전자가 그 주위에 있다.”^[2]

러더퍼드는 알파 입자 산란 실험을 통해 다음과 같은 사실을 알아냈다.

원자의 전자 구름은 알파 입자 산란에 (실질적으로) 영향을 미치지 않는다.
원자의 양전하 대부분은 오늘날 원자핵으로 알려진 원자 중심의 비교적 작은 부피에 집중되어 있다. 이 전하의 크기는 원자의 원자 질량의 (대략 절반까지의 전하 수에 해당하는) 비례한다. 나머지 질량은 현재 대부분 중성자에 기인하는 것으로 알려져 있다.
금과 같은 무거운 원자의 질량은 대부분 중심 전하 영역에 집중되어 있다.
원자 자체는 핵의 지름보다 약 10만 배(10⁵) 크다.

러더퍼드 모형은 원자의 많은 전하와 질량을 매우 작은 중심부에 집중시키는 역할을 했지만, 나머지 전자와 나머지 원자 질량에는 어떠한 구조도 부여하지 않았다. 나가오카 한타로의 원자 모형을 언급했는데, 이 모형에서는 전자가 하나 이상의 고리로 배열되며, 안정적인 토성의 고리라는 특정한 비유적 구조를 가지고 있다.

5. 현대 과학에 기여한 점

닐스 보어는 러더퍼드의 핵 모형을 채택하여 러더퍼드-보어 모형을 개발하고, 초기 양자 역학 개념을 원자 모형에 통합하여 전자 스펙트럼과 화학 개념을 예측할 수 있게 했다.

러더퍼드의 발견 이후, 원자가 단일 입자가 아니라 더 작은 입자들이 모여 구성되어 있다는 것과 원자핵은 원자 자체보다 훨씬 작고, 원자의 부피 대부분은 빈 공간이라는 것이 밝혀졌다.

그 후, X선을 이용하여 원자 내 전자 수(원자번호와 같다)를 측정 할 수 있게 되었다. X선이 원자를 통과할 때, 일부는 전자와 충돌하여 산란되고 나머지는 그대로 통과한다. X선의 감쇠량을 측정함으로써 원자 내 전자 수를 정확하게 추정할 수 있다.

5. 1. 핵물리학의 발전

러더퍼드의 핵 모형은 닐스 보어가 맨체스터에서 박사후 연구원으로 온 후 큰 영향을 주었다. 보어는 톰슨 모형 대신 러더퍼드의 핵 모형을 채택하여 러더퍼드-보어 모형을 개발했다. 보어는 초기 양자 역학 개념을 원자 모형에 통합하여 전자 스펙트럼과 화학 개념을 예측할 수 있게 했다.

러더퍼드의 발견 이후, 원자가 단일 입자가 아닌 더 작은 입자들로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 특히, 금박 실험을 통해 원자핵이 원자 자체보다 훨씬 작고, 원자의 대부분은 빈 공간이라는 것이 밝혀졌다. 과학자들은 원자 중심에 양전하를 띤 핵(원자 번호를 가짐)이 있으며, 그 반지름은 약 1.2fm × [원자 질량수]임을 발견했다. 전자는 그보다 더 작은 것으로 밝혀졌다.

이후, X선을 이용하여 원자 내 전자 수(원자번호와 같음)를 측정할 수 있게 되었다. X선이 원자를 통과할 때, 일부는 산란되고 나머지는 통과한다. X선이 전자와 충돌하여 산란되는 부분을 측정하고, X선의 감쇠량을 통해 원자 내 전자 수를 정확하게 추정할 수 있다.

5. 2. 양자역학의 발전

닐스 보어는 러더퍼드의 초청으로 맨체스터에서 박사후 연구원으로 있으면서 톰슨 모형에 대한 연구를 중단하고 러더퍼드의 핵 모형을 채택하여 이후 수년에 걸쳐 러더퍼드-보어 모형을 개발했다. 보어는 초기 양자 역학 개념을 원자 모형에 통합하여 전자 스펙트럼과 화학 개념을 예측할 수 있게 했다.

러더퍼드의 발견 이후 후속 연구를 통해 원자 구조가 밝혀졌고, 이는 러더퍼드의 금박 실험으로 이어졌다. 과학자들은 결국 원자 중심에 양전하를 띤 핵(전하의 원자 번호를 가짐)이 있으며, 그 반지름은 약 1.2fm × [원자 질량수]^1/3임을 발견했다. 전자는 그보다 더 작은 것으로 밝혀졌다.

그 후, X선을 이용하여 원자 내 전자 수(원자번호와 같다)를 셀 수 있다는 것을 알게 되었다. X선이 원자를 통과할 때, 일부는 산란되고 나머지는 그대로 통과한다. X선이 산란되는 것은 전자와 충돌하여 산란된 부분이며, X선의 감쇠량을 측정함으로써 원자 내 전자 수를 정확하게 추정할 수 있게 되었다.

6. 러더퍼드 모형의 한계와 극복

러더퍼드 모형은 몇 가지 문제점을 안고 있었다. 전자가 원자핵 주위를 돌면서 에너지를 잃고 핵으로 추락해야 하지만, 실제로는 그렇지 않다는 전자의 궤도 안정성 문제가 있었다. 또한, 원자가 방출하는 빛의 스펙트럼이 불연속적으로 나타나는 현상을 설명하지 못했다.

6. 1. 전자의 궤도 안정성 문제

러더퍼드의 모형은 안정성 때문에 어려움을 겪었다. 방사능이나 충돌과 연관 짓지 않고, 원소의 특징적인 스펙트럼 전자들이 원 운동하고 있다는 생각이 필요했다. 이는 행성 주위를 회전하고 있는 토성 고리의 구성 성분들처럼 전자들이 원자의 핵 주위를 회전하고 있다는 것을 의미했다. 그러나 토성 고리를 구성하는 물질과는 달리 전자들은 서로 반발하기 때문에 원자들은 불안정했다. 그러므로 아주 조그마한 충격에도 러더퍼드의 원자 모형을 따르는 원자는 분해될 것이다.^[7]

6. 2. 선 스펙트럼 설명 불가

러더퍼드의 모형은 원자가 방출하는 빛의 스펙트럼이 불연속적으로 나타나는 현상을 설명하지 못했다. 러더퍼드는 전자가 원자핵 주위를 원운동한다고 보았는데, 이는 마치 행성 주위를 회전하는 토성 고리의 구성 성분들과 같았다. 그러나 토성 고리의 구성 물질과는 달리 전자들은 서로 반발하기 때문에 원자는 불안정해지고, 아주 작은 충격에도 분해될 수 있다는 문제점이 있었다.^[7]

6. 3. 보어 모형으로의 발전

보어는 양자 가설을 도입하여 러더퍼드 원자 모형의 문제점을 해결하고, 수소 원자의 선 스펙트럼을 성공적으로 설명했다.^[2]

러더퍼드가 논문을 발표한 1개월 후, 안토니우스 판 덴 브로크는 원자 번호와 핵의 전하가 직접 연결되는 것이 아닌가 하는 제안을 했고, 2년 이내에 헨리 모즐리가 실험을 통해 그것을 확인했다.

7. 상징성

러더퍼드 원자 모형은 부정확했지만, 일반 대중이 원자를 상상하는 데 있어 원형이 되었으며, 더 정확한 보어 원자 모형에는 없었던 특징을 가졌다. 이 모형은 원자나 원자력을 나타내는 상징으로 계속 사용되고 있다. 그 예는 다음과 같다.

미국 원자력 위원회 로고
국제원자력기구(IAEA) 깃발
미국의 마이너 리그 팀 알버커키 아이소톱스 로고
유니코드의 기타 기호 U+269B

참조

_[1] 논문 Models and Modelers of Hydrogen World Scientific
_[2] 논문 The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom http://ion.elte.hu/~[...] 2008-10-09
_[3] 서적 화학의 원리 제4판 자유아카데미
_[4] 서적 화학의 원리 제4판 자유아카데미
_[5] 서적 원자력 세계를 연 과학자들 한국원자력문화재단
_[6] 서적 원자력 세계를 연 과학자들 한국원자력문화재단
_[7] 서적 핵물리학과 러더퍼드 바다출판사

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