원자모형의 발전

원자모형의 발전

원자모형에 대한 의견과 이론의 역사의 주요 단계를 소대하는 비디오다.

화학

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장면

데모크리토스

데모크리토스와 그의 스승인 루시퍼스의 의견에 따르면, 물질은 저그마하고 분할할 수 없는 입자로 구성된다. 이 입자는 원자라고 부른다.

그들의 모형에 의하면, 원자는 영원하게 존재한다. 파괴되지도 않고 생산되지도 않는다. 모양과 크기는 다를 수 있으며 작은 갈고리를 통해 연결될 수 있다.
원자의 특징은 다양한 물질의 특성을 정의한다. 예를 들면 애니메이션에서 나타나는 둥그스름하고 갈고리가 있는 원자는 맛이 쓰고 끈적거린다. 단 물질은 작고 둥그랗다. 따라서 다양한 물질에 들어가서 그 물질의 맛을 바꿀 수도 있다.

오늘날, 이 순진한 원자 모형이 틀리다는 것은 잘 알려져 있다. 그래도 이 이론은 과학의 역사에서 중요하다. 왜냐하면 물질의 비연속적이고 양자화된 성격에 대한 개념이 최초로, 기원전 4~5세기에 나타났기 때문이다.

돌턴

영국인 과학자 존 돌턴에 의하면, 다양한 복합체는 다양한 원자 결합물로 구성된다. 그는 원자를 분할할 수 없고 작은 구형처럼 묘사했다. 돌턴은 데모크리토스의 이론을 바탕으로 했고 그것을 개선하였다.

돌턴에 의하면, 물질의 일관성은 원자들 사이의 거리에 달려 있다. 나중에 원자가 분할할 수 없는 것이 아니라는 생각이 틀렀다고 밝혀졌어도 원자가 존재하는 생각이 맞았다.

톰슨

19세기 후반에는 원자의 분할할 수 없음이 더 이상 유지할 수 있는 생각이 아니라는 것은 분명해졌다. 세기의 전환기에, 영국인 물리학자 조셉 존 톰슨은 음극선이 음으로 전하된 입자로 구성되어 있다는 것을 깨달았고 이것으로 전자의 존재를 보여줬다.

수개의 실험을 바탕으로 해서, 어느 물질의 원자라도 전자를 추출할 수 있고 모든 원자전자가 있다는 결론을 내렸다. 원자는 전기학상으로 중성이니까 음전하로 하전된 전자가 양전하로 하전된 물질에 내정되어 있다고 추정했다. 톰슨은 이것을 건포도 푸딩 모델이라고 불렀다. 건포도와의 푸딩은 그의 원자 모형과 비슷하게 생겼기 때문이다.

러더포드

어네스트 러더퍼드의 실험에서는 알파 입자, 즉 헬륨 원자의 핵으로 금박을 포격하였다. 대부분의 알파 입자는 금박을 통과했지만 몇 개는 통과하다가 방향을 바꾸거나 반사되었다.

톰슨의 원자 모형이 맞았더라면 모든 알파 입자가 느려졌을 것이라도 금박을 방향을 바꾸지 않고 통과했을 것이다. 실험들의 이런 결과는 금 원자의 대부분 무게가 아주 작은 곳으로 응결됐어야만 가능하다.

러더퍼드는 1911년에 받은 결과를 바탕으로 원자 모형을 만들고 논문을 출판하였다. 이 원자 모형에서는 전자가 양전하로 하전된 핵 주위를 돌아간다. 핵의 지름은 원재의 지름에 비해 천분의 10이다.

보어

몇 계산에 의하면, 러더퍼드의 모형에서는 핵 주위를 돌아가는 전자들이 계속 에너지를 방출했어야 하는데 그렇게 된다면 전자가 점점 느려지다가 나선형을 그려서 핵 속으로 떨어질 것이다. 그런데 사실 경혐에 따르면 원자가 무너지지 않는다. 그러니까 새 원자 모델에 대한 필요가 나왔다.

즉, 러더퍼드의 원자 모형을 변경해야 했다. 이 문제를 덴마크인 물리학자 닐스 보어가 1913년에 해결했는데 다음을 추정하였다: 전자가 핵 주위를 원형 궤도를 따라야만 돌아갈 수 있다. 그러므로 전자는 핵 속으로 떨어질 수 있으며 한 궤도에서 다른 궤도를 뛰어서 이동할 수 있다.

광자로 에너지를 흡수할 때 전자가 자극을 받으니까 핵에서 더 멀고 있는 고에너지 궤도로 이동된다. 전자는 에너지방출하면 작은 에너지의 궤도로 이동하는 경우도 있다.

전자는 뛰는 데 필요한 광자만 흡수하거나 방출할 수 있기 때문에 원자의 방출 빛띠 및 흡수 빛띠는 계속되지 않는다. 이 현상은 수소 원자에 관한 실험의 경우에 잘 맞는다.

조머펠트

조머펠트는 보어의 원자 모형을 더 발달시키고 1920년에 새 이론을 발표하였는데 보어-조머펠트 모형이라고 한다. 이 원자 모형에서는 이전처럼 전자가 핵 주위를 지정된 궤도를 따라 돌아갈 수 있지만 그 궤도타원형일 때도 있다.

하이젠베르크, 슈뢰딩거

하이젠베르크-슈뢰딩거의 모형양자 역학적인 원자 모형이라고도 한다. 양자 역학에 따르면, 입자는 구체적인 위치에 있는 구상체로 모사될 수 없다. 원자의 전자 껍질을 전자 구름으로 모사해 본다면 더 혈실적이다. 전자 구름 속에서 전자를 어딘가에서 찾을 것이다.

원자에는 원자 궤도가 있고 궤도 속에는 특정적인 모양의 s, p, d, f 부껍질이 있다. 이 원자 모형은 우리가 이제 알고 있는 우주 구조 및 작동에 대한 지식을 제일 잘 비춰주는 방법이다.

내레이션

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