원자 모형의 역사
1. Atom의 어원 및 개념(기원전 약 400년 경)
그리스의 데모크리토스는 어떤 물질을 쪼개고 쪼개다보면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자에 도달하게 된다고 생각하였고 그 입자를 Atomos라고 명명했다. 여기서 유래하여 현재의 atom이 되었다. [ a(할 수 없는)+tomos(절단) ]
2.존 돌턴(John Dalton)의 원자가설(1808)
(1) 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자인 원자로 구성되어있다.
(2) 서로 같은 원자들은 질량이 같고, 다른 원자들은 질량이 다르다
(3) 원자는 생성되거나 소멸되지 않고 결합 방식을 바꿀 뿐이다.
(4) 서로 다른 원자들의 조합으로 화합물이 구성된다.
----> 현대에 이르러서는 이러한 가설에 오류가 있음을 확인하였다.
3. 톰슨(Thomson)의 음극선 실험(1897)
톰슨은 진공 유리관 내에 있는 두 금속 전극 사이에 고압의 전위차를 걸어줄 때 방출 되는 음극선을 연구하고 있었다. 해당 실험에서 전기장을 걸어주었을 때 음극선이 +극 쪽으로 휘어지는 것을 통해 음전하를 띠는 입자가 존재한다고 주장했다.
왜 음전하를 띠는 입자가 원자를 구성하는 입자일까?
톰슨은 전기장에 의해 음극선이 휘어지는 정도와 자기장에 의해 음극선이 휘어지는 정도를 수식으로 나타내었고 이를 통해 비전하를 계산하였다. 이 비전하는 전하량/질량(전하량을 질량으로 나눈 값)이다.
일반적인 이온의 비전하와 음극선의 비전하를 비교했을 때 음극선의 비전하가 천배 이상 컸다. 이온의 경우 전하량이 크지 않기 때문에 분자에서는 큰 차이가 나타날 수 없고 분모에 해당하는 질량에서 큰 차이가 나타난 것으로 볼 수 있다. 즉, 음극선의 질량이 이온보다 매우 작았다는 것이다.
또한 여러가지 금속 전극을 이용하여 실험하였음에도 항상 일정한 음극선 비전하를 얻었기 때문에 이는 물질의 종류에 상관 없이 존재하는 입자라는 것을 나타낸다. 즉 이온보다 훨씬 가볍고 음전하를 띠며, 모든 물질에 존재하는 입자임이 확인 된 것이다. 이것이 현재의 전자(electron)이고 톰슨은 이 입자가 원자를 구성하는 성분이라고 주장했다.
--------> 원자는 전체적으로 중성이기 때문에 음전하의 입자가 존재한다면 이를 상쇄하는 양전하가 존재해야한다!
-------->톰슨의 푸딩 모형 : 양전하를 띤 구에 음전하가 콕콕 박힌듯한 모형(푸딩에 박힌 건포도)
+ Robert milikan 의 전자의 전하량과 질량 측정
톰슨은 비전하 값을 계산하였으나, 비전하를 구성하는 전하량 자체와 질량은 알 수 없었다. 이후 Millikan 등의 과학자들이 실험하여 각각의 값을 알 수 있게 되었다.
4. 러더포드(Rhtherford) 알파입자 실험(1908)
알파입자는 헬륨의 원자핵으로 양전하를 띤다. 러더퍼드는 이 알파입자를 아주 얇은 금박에 쪼이고 주변에 황화아연판을 두어, 입자가 통과하여 이 판에 닿게 되면 섬광이 나타나 입자의 경로를 확인할 수 있도록 하였다.
얇은 금박은 몇 원자층으로 구성되어 있기 때문에, 원자가 톰슨이 제시한 푸딩 모형이라면, 알파입자를 튕겨내지 않고 양전하 사이로 입자가 잘 통과하게 될 것이었다. 그러나 결과는 입자가 90 °이상 휘거나 튕겨 후방으로 돌아가는 현상이 나타났다.
러더포드는 이를 보고 '화장지에 포탄을 발사했는데 포탄이 반사되어 돌아온 것만큼이나 놀라운 일'이라고 했다.
-----> 알파입자가 부딪히면 반사되는 고밀도의 양전하 핵이 있을것으로 예상= 원자핵의 개념 도입!
주위는 텅 비어있고 전자가 존재하며 가운데에 양전하가 밀집되어있는 원자핵이 존재한다. 따라서 이 원자핵과 부딪히지 않았을 때는 잘 통과하지만 부딪혔을 때는 뒤로 튕겨져나오게 된다.
러더퍼드는 이후 전자가 원자핵 주위를 도는 태양계형 모델을 제시했다.
러더퍼드의 태양계형 모델에서는 전자가 핵 주위를 돌면서 운동한다고 가정하였지만 여기엔 한계점이 있다.
한계 1.
태양계 행성의 원운동과 전자의 원운동은 엄연히 다르다! 전자가 등속 원운동을 하게 되면 가속운동을 하는 것이고, 전하를 띠는 전자가 가속운동을 하게 되면 전자기파를 방출한다. 이는 에너지 손실이 일어난다는 것, 안정적으로 등속 원운동을 할 수 없게 된다. 에너지 손실 때문에 원운동을 유지하지 못하고 원자핵에 끌려 붕괴될 것이다.
한계 2.
수소의 선 스펙트럼은 불연속적이다. 만일 전자가 원자핵 주위를 회전한다면 전자는 원자 내에 자유롭게 존재할 수 있고 (러더퍼드 모형에서는 전자의 원운동 궤도, 원자핵과의 거리 등이 제대로 제시되지 않았다.) 이에 따라 연속적인 스펙트럼이 나타나야한다. 불연속적인 스펙트럼 선은 원자 내 전자들이 특정한 에너지 값만 가진다는 것을 의미한다.
이후 내용 [보어의 원자모형] [파동함수와 에너지 준위] [원자 오비탈]
'공부와 대학생활 > 일반화학' 카테고리의 다른 글
| [일반화학]물질의 상태(state of matter) (0) | 2023.07.26 |
|---|---|
| [일반화학] 상(phase)과 상평형도(phase diagram) (0) | 2023.07.13 |
