원자의 구조

원자
모든 물질은 원자라고 하는 아주 작은 입자로 구성되어 있다. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자라는 의미에서 붙여진 이름이지만 전자, 양성자, 중성자 등의 존재가 밝혀지면서 원자가 하나의 나누어질 수 없는 입자가 아니고 복잡한 구조를 가진다는 사실을 알게 되었다. 단, 화학 원소로서의 특성을 유지하는 입자로는 원자가 가장 작은 단위이다.

돌턴의 원자설
1808년 영국의 화학자 돌턴은 각각의 물질이 일정한 비율의 원자들의 결합으로 이루어져 있다고 주장하였고 다음과 같이 단순한 구형의 원자 모형과 원자설 4가지를 제시하였다.

1. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없다.
2. 각기 다른 원소의 원자는 그 성질과 질량이 다르다.
3. 원자는 다른 원자로 변하지 않으며, 생성되거나 소멸되지 않는다.
4. 화합물을 이룰때, 각 원소의 원자는 간단한 비율로 결합한다.

톰슨의 원자 모형

1897년 영국의 물리학자 톰슨은 원자 구성 입자인 전자를 발견하였다. 톰슨은 다음 그림과 같은 음극선 실험을 통하여 전자라는 미세한 입자가 (-) 전하를 띤다는 것을 증명하였다. 톰슨은 원자는 많은 전자들이 (+) 전하 물질의 사이에 듬성듬성 박혀 있을 것이라 생각하였고 이는 푸딩 위에 건포도가 박혀 힜는 모형과 유사하다.

한타로의 토성 원자 모형
1903년 일본의 물리학자 나가오카 한타로는 토성 고리 모형을 제안하였다. 중력에 의해 운동하는 토성과 토성 고리를 정전기력에 의해 운동하는 핵과 그 주변을 회전하는 전자 고리에 비교하였다. 하지만 전자 고리 내의 전기력에 대해 설명하지 못하는 한계로 이 이론은 폐기되었다.

러더퍼드의 원자 모형
1911년 영국의 물리학자 러더퍼드는 방사선 원소에서 나오는 a입자 산란 실험에서 상당수의 a입자가 금박을 관통하지만, 그 중의 일부는 큰 각도로 진행 방향이 휘어지고 다른 일부는 거의 반대 반향으로 튀어 나온다는 사실을 확인하였다.

a입자는 +2e 전하량을 띠고 질량은 전자의 약 7300배이다. 따라서 속도가 매우 빠르고 질량이 크기 때문에 충돌 후에 운동량이 크게 변하지 않을 거라 예상했다. 그러나 a입자 1~2만개 중에 1~2개는 아주 큰 각도로 산란되었다. 이를 통해 러더퍼드는 원자핵을 발견하였다.
(1) 러더퍼드 모형
러더퍼드 모형은 행성이 태양 주위를 돌고 있는 것과 모양이 비슷하다하여 태양계 모형이라고도 한다.
1. a입자 산란 실험 결과 원자의 중심에는 원자 질량의 대부분을 차지하고 (+) 전하를 가진 원자핵이 존재한다
2. 원자핵의 크기는 원자 크기의 10만분의 1 정도이므로 원자의 대부분은 빈 공간으로 구성되어 있다.

(2) 러더퍼드 모형의 문제점
1. 원자의 안정성 : 전자들이 (+)전하를 띤 원자핵으로 끌려가지 않으려면 전기력이 구심력으로 작용하는 원운동을 해야한다. 그런데 이런 형태에서 전자는 안정된 형태로 원운동을 지속하지 못하고 점점 원자핵에 가까워지는 가속 운동을 하므로 연속적으로 전자기파를 방출하고 원자핵으로 떨어진다. 그러나 실제 원자는 안정성을 가지고 있다.

보어의 원자 모형
보어는 다음 두 가지 가정으로 러더퍼드 모형의 문제점인 전자의 안정성과 선 스펙트럼의 문제를 해결하였으며 이것을 보어의 원자 모형이라고 한다.
(1) 제 1가정
프랑스 과학자 드 브로이는 물질 입자도 파동성을 가질 것이라고 예상하였다. 질량 m인 물질이 속도 v로 운동할 때 입자가 나타내는 파동의 파장 λ는 다음과 같이 결정된다.
λ = h/mv (h=플랑크 상수)

양자 조건 : 궤도에 있는 전자는 다음과 같은 양자 조건을 만족시킬 때 전자기파를 방출하지 않고 안정한 상태로 존재한다. 양자 조건은 전가의 궤도가 전자 물질파 파장의 정수배이어야 함을 의미한다.
양자 조건 : 2πr=nλ (n=1, 2, 3...)

(2) 제 2가정
전자는 안정한 궤도를 옮겨갈 수 있으며, 이때 두 궤도의 에너지 차이와 같은 에너지를 가진 광자 한 개가 방출되거나 흡수된다
진동수 조건 : hf=E_f-E_i

현대의 원자 모형
1924년에 드 브로이는 모든 움직이는 입자는 파동의 성질을 띤다는 것을 제안했다. 슈뢰딩거는 이 아이디어를 이용하여 1926년 슈뢰딩거 방정식을 통해 전자를 입자가 아닌 파동 함수로 기술한다. 그리고 그것은 보어 모델이 설명하지 못했던 많은 스펙트럼 현상을 휼륭하게 설명하였다.
1927년 하이젠베르크는 양자 역학을 이용하여 전자의 위치와 속력을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 불확정성 원리를 발표하였다. 따라서 전자의 속도와 위치를 정확하게 결정할 수 있다는 보어의 이론은 틀린 것이 되고 말았다. 현대적 원자 모형에 따르면 전자가 특정 위치에 존재할 확률만을 알 수 있다.