원자의 발견 역사

원자는 물질을 이루는 기본단위이고, 주위에 있는 물질들의 종류가 매우 다양하므로 많은 종류의 원자들이 존재한다고 생각할 수도 있다. 그러나 원자의 종류는 놀랍게도 적다. 물질의 종류가 다양한 것은 구성원 자들이 다양하기 때문이 아니라, 불과 몇 종류의 원자들이 서로 결합하는 방법에 따라 물질의 종류가 달라지기 때문입니다. 표준 주기율표는 1994년에 제정된 것으로 103번까지 나와 있으나, 현재까지 알려진 원자의 수는 이보다 많은 118번까지입니다. 이들이 바로 화학원소입니다. 그중에서 단지 92종이 자연에서 발견되며, 나머지는 고에너지 가속장치 또는 원자로 등을 사용하여 실험실에 만들어지며, 앞으로 더 많은 원자가 발견될 가능성도 있습니다. 실험실에서 만들어진 무거운 원소들은 불안정합니다

1. 원자모형
1896년 톰슨은 수소 원자의 약 1/2000의 질량을 갖는 전자를 발견하였고 이는 원자 내에 있는 전자뿐만 아니라 또 다른 입자가 존재한다는 것을 의미하였습니다. 이 입자는 원자질량의 대부분을 차지하고 있으며 원자 자체가 전기적으로 중성이므로 이는 양전하를 가져야 합니다.

1911년 라더퍼드는 라듐의 알파선을 얇은 금박에 충돌시키는 실험을 통해 원자의 대부분은 비어있고, 원자의 질량이 한곳에 모여 있음일 알 수 있었습니다. 이것을 원자핵이라고 불렀으며 전자들이 태양 주위의 행성들처럼 궤도를 선회하고 있다고 주장하였습니다.

913년 보어는 플랑크와 아인슈타인의 양자이론을 받아들여 원자핵 주위를 도는 전자가 전자기파를 내지 않는, 정상상태라고 하는 불연속적인 궤도에만 존재할 수 있다고 주장하였습니다.
또한, 핵에서 멀리 떨어진 궤도를 도는 전자는 핵에 가까운 전자보다 에너지가 높아, 높은 에너지 궤도에서 낮은 에너지 궤도로 전자가 전이할 때 두 궤도의 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출하며, 이때 E=hv로서 E는 두 궤도의 에너지 차이고 v는 방출되는 빛의 진동수입니다. 보어의 모형은 여전히 전자가 원에 가까운 궤도를 돈다고 하였습니다. 이 모형은 전형적인 화학적 성질을 잘 설명하였고 또한 발견하지 못한 원소에 대한 성질도 예견하였습니다.

) 양자 가설(정상 상태가설)
원자 내의 특정 조건을 만족하는 궤도에서만 회전하며 이때 궤도를 따라 운동하는 전자는 전자기파를 방출하지 않습니다. 이러한 상태를 정상상태라고 하고 정상상태의 전자가 갖는 에너지를 에너지 준위라고 합니다. 원자 내의 전자가 전자기파를 방출하지 않기 위해서는 전자의 각운동량(mvr)이 플랑크 상수(h=6.63 x 10^-34 J/s)를 2 π로 나눈 값이 정수배가 될 때 입니다. 양자가설은 원자의 안정성을 설명할 수 있습니다.

mvr=h/2 π*n

따라서 궤도는 띄엄띄엄한 값만 허용됩니다. 이처럼 연속적인 값을 갖지 못하고 특정한 값을 가지는 것을 양자화 되어 있다고 말합니다.

2) 진동수 가설
전자가 한 정상상태에서 다른 정상상태로 옮겨갈 때 궤도의 에너지 차이만큼의 에너지를 전자기파로 방출하거나 흡수합니다. 전자가 낮은 준위에서 높은 준위로 이동할 때는 에너지를 흡수하고 높은 준위에서 낮은 준위로 이동할 때는 에너지를 방출한다. 진동수 가설은 수소 원자의 선스펙트럼을 설명할 수 있습니다.

3) 보어 원자모형의 고찰
보어의 원자 이론은 수소 원자의 스펙트럼을 잘 설명할 수 있었지만 다른 원자의 스펙트럼은 설명할 수 없습니다.
또 하이젠베르크의 불확정원리에 의하면 전자는 어느 한순간에 그 위치와 운동량의 두 가지를 동시에 측정할 수 없습니다. 즉 전자는 일정한 원 궤도를 운동하는 것이 아니라 그 에너지 준위에 따라 어느 공간에 확률에 의해 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 이것을 전자 구름모형 또는 오비탈 모형이라고 합니다.



본 글은 유튜브 “살살 알려드림”참고하여 기재하였습니다.