원자 모형

3. 돌턴 모형

19세기 초, 존 돌턴은 모든 화학 원소가 변하지 않고 파괴할 수 없는 한 종류의 원소들로 구성되고 그것들이 결합하여 더 복잡한 구조(화합물)를 이룬다는 원자 이론을 발전시켰다.^[1] 돌턴이 이 이론에 어떻게 도달했는지는 분명하지 않지만, 원자설을 통해 화학 분야에서 당시 과학자들이 이룬 많은 발견들을 설명할 수 있게 되었다.

돌턴은 조제프 루이 프루스트의 업적을 연구하고 확장하여 배수 비례의 법칙을 발전시켰다. 이 법칙은 두 원소가 하나 이상의 화합물을 만드는 경우에는 첫 번째 원소 일정량과 결합하는 두 번째 원소의 질량 사이에 간단한 정수비가 성립한다는 것이다.

또한 돌턴은 물이 기체마다 다른 비율로 흡수하는 현상도 기체 입자의 질량과 복잡도의 차이로 설명했다. 예를 들어, 물은 질소($\backslash mathrm\{N\_2\}$)보다 이산화 탄소($\backslash mathrm\{CO\_2\}$)를 더 많이 흡수하는데, 이는 $\backslash mathrm\{CO\_2\}$가 $\backslash mathrm\{N\_2\}$보다 더 크고 무겁기 때문이다.

1803년에 돌턴은 몇 가지 물질에 대한 상대적 원자량 목록을 발표했다. 1805년에 논문으로 출간되었으나, 자세한 내용은 1807년 토머스 톰슨의 책과 1808년과 1810년에 돌턴의 책으로 출판되었다.

돌턴은 수소를 기본 단위로 삼아 원자량을 정했다. 그러나 그는 일부 원소가 분자로 존재한다는 것(예: 산소 분자 $\backslash mathrm\{O\_2\}$)과, 두 원소 간의 가장 간단한 화합물이 항상 각 원소 하나씩의 결합(물은 $\backslash mathrm\{H\_2O\}$가 아니라 $\backslash mathrm\{HO\}$)이라고 잘못 생각했다. 이와 장비의 열악함 때문에 그의 원자량 표는 오류가 있었다. 예를 들어 그는 산소 원자가 수소 원자보다 5.5배 무겁다고 생각했지만, 실제로는 16배 무겁다.^[1]

3. 1. 모델의 특징

3. 2. 모델의 성립 계기

3. 3. 역사적 맥락

• 앙투안 로랑 라부아지에가 1787년 공식화한 질량 보존의 법칙(반응물과 산출물의 질량이 같다는 법칙)에서 돌턴은 물질은 근본적으로 부술 수 없다고 생각했다.
• 1799년 프랑스 화학자 조제프 루이 프루스트가 증명한 일정 성분비의 법칙은 화합물이 구성 요소로 분해될 때, 원래 물질의 양이나 출처에 관계없이 질량들이 언제나 같은 비율이라는 법칙이다. 프루스트는 탄화 구리를 여러 방법으로 합성했고, 각각의 경우에서 그 성분들의 비는 자연에 존재하는 탄화 구리를 분해했을 때와 일치했다.

4. 톰슨 모형

조지프 존 톰슨이 음극선을 연구하며 전자를 발견하면서, 더 이상 원자를 나눌 수 없다는 생각은 깨지게 되었다. 톰슨은 크룩스 관 실험을 통해 음극선이 전기장이나 자기장에 의해 휘는 것을 확인하고, 이것이 음전하를 띤 입자, 즉 "미립자(corpuscles)"로 구성되어 있음을 알아냈다. 이 미립자는 나중에 전자로 불리게 된다.^[1][2]

톰슨은 전자가 원자에서 나온다고 보았고, 원자가 전기적으로 중성이어야 하므로 양전하를 띤 바탕에 전자가 박혀 있는 건포도 푸딩 모델을 제안했다.

이후 원자가 실제로 나뉠 수 있다는 사실이 밝혀지면서, 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 나타내기 위해 ‘기본 입자’라는 용어가 사용되기 시작했다.

4. 1. 모델의 특징

4. 2. 모델의 성립

4. 3. 역사적 맥락

5. 러더퍼드 모형

알파 입자 산란 실험을 통해 원자의 조성이 균일하지 않으며 중심에 질량이 뭉쳐 있는 부분이 있다는 것을 알게 되었다.^[1]

톰슨의 건포도 푸딩 모델은 1909년에 그의 제자 중 하나인 어니스트 러더퍼드에 의하여 부정되었다. 러더퍼드는 금박 실험을 통해 대부분의 질량과 양전하가 매우 작은 부피 안에 집중되어 있다는 것을 발견했다.

러더퍼드의 동료였던 한스 가이거와 어니스트 마즈든은 얇은 금박에 알파 입자를 통과시켜 형광 스크린에 쏘는 실험을 진행했다. 전자의 질량은 매우 작은 반면, 알파 입자의 운동량은 매우 컸고, 톰슨의 건포도 푸딩 모델에서는 양전하가 넓게 퍼져 분포한다고 보았기 때문에, 모든 알파 입자들이 휘거나 흡수되지 않고 직진할 것으로 예상되었다. 그러나 놀랍게도 일부 입자는 매우 강하게 휘었다. 이 결과를 바탕으로 러더퍼드는 원자를 태양계와 비슷한 모형으로 생각했으며, 이는 이후 전자가 핵 주위를 돈다는 보어의 모형으로 이어졌다.^[1]

5. 1. 모델의 특징

5. 2. 모델의 성립

5. 3. 역사적 맥락

6. 보어 모형

보어 모형은 기존의 원자 모형이 수소 원자의 불연속 스펙트럼을 설명하지 못하고, 고전 전자기 이론과도 맞지 않았기 때문에 제시된 가설이다.^[1]

6. 1. 모델의 특징

7. 현대 원자 모형

양자역학의 발전에 따라 슈뢰딩거 방정식을 기반으로 전자를 파동 함수로 기술하는 현대 원자 모형이 성립되었다. 이 모형은 스펙트럼 현상을 더 완벽하게 설명할 수 있었다.^[1]

원자의 태양계 모형(보어 모형/러더퍼드-보어 모형)은 몇 가지 단점을 가지고 있었다. 고전 전자기학의 라모 공식에 따르면 가속하는 전자는 전자기파를 방출하여 에너지를 잃고 핵으로 나선형 궤도를 그리며 돌진해야 했다. 또한, 원자가 불연속적인 스펙트럼의 빛만 방사하는 현상도 설명하지 못했다.^[1]

20세기 초, 막스 플랑크와 알베르트 아인슈타인은 빛의 에너지가 불연속적인 양으로 흡수되거나 방사된다는 가정을 통해 양자 이론을 발전시켰다. 1913년, 닐스 보어는 이러한 아이디어를 보어 모형에 도입하여 전자가 정해진 각운동량과 에너지를 갖는 특정 궤도만 돌 수 있다고 설명했다. 이 모형에서 전자는 핵으로 나선형으로 돌진하지 않으며, 에너지 준위 변화에 따라 빛을 방출하거나 흡수한다고 보았다.^[1]

그러나 보어 모형은 수소의 스펙트럼 선만 예측 가능했고, 다전자 원자에는 적용할 수 없었다. 스펙트럼그래픽 기술 발전으로 보어 모델이 설명할 수 없는 수소 스펙트럼 선이 추가로 발견되었다. 1916년, 아르놀트 조머펠트는 타원 궤도를 도입하여 추가적인 스펙트럼 선을 설명하려 했지만, 이 모델은 사용하기 어려웠고 복잡한 원자는 설명할 수 없었다.^[1]

1923년, 루이 드브로이는 모든 움직이는 입자가 파동성을 가진다고 제안했다. 에르빈 슈뢰딩거는 이 아이디어에 영향을 받아 전자의 움직임을 파동으로 설명하고자 했다.

7. 1. 모델의 특징

7. 2. 모델의 성립

7. 3. 역사적 맥락

참조

_[1] 웹인용 Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity http://nobelprize.or[...] The Nobel Foundation 2008-08-25
_[2] 저널 George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron Royal Society 1975-03-00