화학. 전자, 원자핵, 양성자의 발견과 원자 모델 (탐슨 음극선 실험, 러더퍼드 알파입자 실험, 전자기파, 양자역학, 고전역학)

 

 

저번 글에서는 물질도 입자이자 

파동적인 특성을 가진다고 했습니다.

 

이런 특징을 통해 전자 배치의 규칙성을

알 수 있게 되었고, 전자 배치의 규칙성은

원자의 화학적 특성을 유추할 수 있게

도와주었습니다. 이를 표로 나타낸 것이

'주기율표'입니다.

 

원자의 전자는 '오비탈'이라는 추상적인 공간에

존재할다고 말했었습니다.

 

그렇다면 전자의 존재는 어떻게 발견이 된 걸까요?

 

오늘은 원자의 전자에 대해 알아보겠습니다.

 

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1. J.J Thomson의 음극선 실험

 

탐슨은 음극선 실험을 통해 전자의 존재를 발견했다.

(전자는 너무 작아서 어떤 현미경으로도 관찰 불가)

 

 

음극선 실험에 이용된 음극선관

 

 

진공인 음극선관 위, 아래에

+(양극)와 -(음극)의 전극을 걸어주니

이들 사이에는 전기가 흐르게 되고

전자들이 이동하게 된다.

 

원칙적으로 이 관에서 원자는 직진을 해야 한다.

하지만 +(양극)에 가깝게 경로를 조정하였고,

원자 안에는 -(음극)을 띠는 입자가 원자에 존재한다고

생각하게 되었다.

 

또한 대부분의 원자들은 모두 전기적으로 중성으로

존재하기 때문에 원자에는 양전하도 포함된다고 

가정하고 모형을 만들었다.

 

 

톰슨의 원자 모형

 

 

원자는 양전하가 구름처럼 퍼져 있으며,

음전하를 띤 전자가 무질서하게 배치된 형태였고

건포도가 박힌 푸딩 모양 구조라고 말했다.

 

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2. Rutherford 알파 입자 실험

 

또 다른 과학자인 러더퍼드는 한 실험을 통해

톰슨의 모델을 공격한다.

 

바로 '원자핵'의 존재를 알아낸 것이다.

 

 

알파입자 실험

 

 

실험에서 박스 안에 있는 알파 입자원(양성자만 존재)

방사선을 금속박막을 향해 쏘았을 때,

톰슨의 모델대로면 직진 혹은

조금의 굴절만이 일어나야 하는데

빛이 거의 반대 방향에 가깝게 산란을 했다.

 

알파 입자원이 금을 이루는 무언가에 부딪혀

반대 방향으로 산란을 한 것이다.

 

금속의 무게가 무거울수록 산란되는 알파 입자도

비례하여 늘어났다. 

 

이러한 현상은 원자 안에 존재하는 핵이

어느 한 곳에 작게 뭉쳐 있다면 설명이 가능하다.

 

대부분의 알파 입자는 아무런 방해 없이 원자를

통과할 것이고, 가운데의 양극을 띠는 부분에

입사된 알파 입자들은 반발력으로 인해 뒤로

산란하는 것이다.

 

 

 

 

 

즉, 원자 중심에는 엄청 강한 양전하를

띠는 핵이 존재하고, 이를 톰슨 모델과

비교해보면 사진과 같은 차이점으로 볼 수 있다.

 

이 것이 러더퍼드가 제안한 원자핵에 대한 개념이다.

 

하지만 이 모델도 치명적인 약점이 있었다.

 

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3. 러더퍼드 모델의 약점

 

 

러더포드 모델

 

러더퍼드가 핵을 포함하여 정립한 모델이다.

 

원자핵은 가운데 한 점에 모여있고 주변부를

원자핵의 전하량과 일치하는 양의 전자가

궤도 운동을 하고 있다.

 

하지만 이 모델에는 치명적인 약점이 있다.

바로 고전역학적 개념과의 충돌이었다.

 

 

 

[고전역학적 개념]

움직이는 전자는 필연적으로 전자기파를 방출한다.

전자기파를 방출한 전자는 에너지를 잃고 

속도가 점점 줄어들면서 원자핵에 충돌을 해야 한다.

 

인간도 원자로 이루어져 있기 때문에

고전역학적 개념으로 보자면 소멸해야 하는 존재이다.

 

하지만 그런 일은 일어나지 않았다.

이 점이 러더포드 모델의 약점이자

앞으로 과학자들이 밝혀 내야 할 문제였다.

 

 

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정리

 

오늘은 원자를 구성하는 전자와 핵을 발견한

톰슨과 러더포드에 대해 알아보았고

그들이 주장한 모델의 변천사를 소개했습니다.

 

또한

러더포드의 모델은 고전역학과의

논쟁의 불을 지폈고, 많은 과학자들은 

이를 해결하기 위해 많은 고민을 했습니다.

 

과연 이렇게 어려운 문제의 결말은 무엇일까요?

(사실 아직도 결말이 없습니다..)

 

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