원자모형의 역사
⑴ 1st. 데모크리토스(Democritos)
① 입자설(BC 5세기) : 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 이루어져 있다고 주장
② 원자(atom) : 더 이상 나누거나 쪼갤 수 없다는 의미의 아토모스(atomos)에서 기원
③ 플라톤, 아리스토텔레스에 의해 반박
⑵ 2nd. 돌턴(Dolton)
① 원자설 : 원자에 대한 정확한 정의(1808)
② 가설 1. 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자들로 구성
○ 반례 : 원자는 원자핵과 전자로 나뉨
○ 반례 : 원자는 핵분열에 의해 더 작은 입자로 쪼개질 수 있음
③ 가설 2. 원자의 종류가 같으면 크기 및 종류가 같고, 원자의 종류가 다르면 크기 및 질량이 다름
○ 반례 : 동위원소
④ 가설 3. 원자는 없어지거나 새로 생기지 않으며, 다른 종류의 원자로 변하지 않음
○ 반례 : 핵반응
⑤ 가설 4. 서로 다른 원자들이 일정한 비율로 모여 새로운 물질을 만듦
⑶ 3th. 톰슨(Thomson)
Figure. 1. 톰슨 음극선 실험
① 톰슨 음극선 실험 : 1897년 진공 방전관을 사용하여 음극선의 흐름이 전자라는 입자의 흐름임을 발견
② 돌턴의 원자설 부정 : 원자는 음전하를 띤 전자와 양성자로 쪼개질 수 있음
③ 푸딩 모형의 제시
○ 전체적으로 양전하를 띤 구가 기본 구조
○ 같은 전하량의 음전하를 가진 전자가 군데군데 박혀 있음
○ 의의 : 원자의 전기적 성질을 일부 설명
○ 한계 : 러더포드의 알파입자 산란 실험
⑷ 4th. 밀리칸(Milikan)
① 밀리칸 실험 : 전자의 양자화된 전하량을 구함
② 전자의 전하량을 통해 전자의 질량을 계산
⑸ 5th. 러더포드(Rutherford)
Figure. 2. 러더포드 실험
① 러더포드 실험 목적 : 톰슨의 푸딩 모형 검증
② 실험 과정 (1911년)
○ 금을 얇게 펴서 두께가 20,000분의 1 cm인 금박을 제작
○ 금박 제작 후 방사성 원소에서 나오는 알파입자를 이 금박에 발사
○ 금박 뒤에는 알파입자가 부딪혔을 때 작은 불꽃을 내는 황화아연 스크린이 있었음
③ 예상결과 : 톰슨의 푸딩 모형대로라면 알파입자를 튕겨낼 만한 부분이 없음
④ 실험결과
Figure. 3. α입자의 산란 모형
○ 소수의 알파입자들이 입사 방향에 대해 예상하지 못한 여러 방향으로 산란됨 (즉, 금박을 통과하지 못함)
○ 약 8,000개의 알파 입자 중 하나 정도가 180°로 산란됨 (즉, 뒤쪽으로 튀어 나옴)
⑤ 결과해석
Figure. 4. 러더퍼드의 원자 모형
○ 입자가 20,000분의 1 cm 금박을 통과하지 못한 것 ≒ 총알이 얇은 휴지를 통과하지 못한 것
○ 매우 무겁고 단단하고 전하량이 많은 구조가 존재 : 원자핵(atomic nucleus)의 도입
○ 즉, α 입자의 질량이 금박의 원자핵보다 작기 때문에 산란된다고 봄
○ 태양계형 모델 제시(1910) : 원자핵을 중심으로 전자가 도는 원자모델
⑥ 한계 1. 원자의 안정성
○ 등속 원운동을 하는 전자의 궤도 안정성을 설명할 수 없음
○ 즉, 가속운동 하는 전자는 빛 에너지를 방출하므로 결국 원자핵으로 빨려 들어감
⑦ 한계 2. 수소 기체의 선 스펙트럼 : 태양계 모형이 맞다면 연속 스펙트럼이 관찰돼야 함
⑹ 6th. 보어 원자모형
보어 모형(Bohr model)은 원자의 구조를 마치 태양계처럼 양전하를 띤 조그만 원자핵 주위를 전자들이 원형 궤도를 따라 돌고 있는 것으로 묘사하는 원자 모형이다. 태양계에서 태양이 중력으로 행성들을 끌어당기듯이, 보어 모형의 원자핵은 전자기력으로 전자들을 끌어당긴다. 이는 과거의 건포도 푸딩 모형(1904년)이나 토성 모형(1904년) 및 러더퍼드 모형(1911년)보다 발전한 것이었다. 보어 모형은 러더퍼드 모형을 양자역학에 근거하여 수정한 것이므로, 이 둘을 합쳐서 러더퍼드-보어 모형이라고 부르기도 한다.
⑺ 7th. 양성자, 중성자의 발견
① 1896년 독일의 골드슈타인(E. Goldstein)은 양극선을 발견
② 1914년 러더퍼드 실험 : 양성자 제시
③ 1932년 채드윅(J. Chadwick)은 원자핵에서 전하를 띠지 않은 입자(중성자) 발견
○ 채드윅은 러더퍼드의 제자
잡스9급 PDF 교재
✽ 책 구매 없이 PDF 제공 가능
✽ adipoman@gmail.com 문의
✽ 유튜브 강의