보어의 원자모형

원소설

물질을 구성하는 기본요소가 있다.

물질이 무엇으로 이루어 졌는가에 대한 의문은 그리스 시대 이후 과학자나 철학자의 주된 관심사였다. 다양한 모양으로 나타나는 우리 주위의 물질들이 실은 적은 개수의 기본적인 재료로 되어 있을 것이라는 가정으로 물질을 이해하려고 하는 가설을 원소설이라 한다. 16세기 이후 산소, 수소 등 오늘날 우리가 알고 있는 원자들이 속속 발견되었는 데 다양한 물질들은 이들이 서로 다르게 결합하여 분자를 다양하게 형성한 것이라는 것을 알게 되었다. 이에 따라 이들 원자가 바로 자연을 구성하는 기본요소 , 즉 원소로 믿게 되었다.

그러나 19세기에 이르러서 이들 원자가 80여 개나 발견된 데다가 이들이 어떤 정해진 규칙성을 가진 것을 알게 되어 이들이 과연 기본요소로서의 자격이 있는지가 의심스러워지게 되었다. 고대 그리스 시대에는 물, 불 등 불과 네 개의 요소로 이루어 졌을 것이라는 생각에서 출발한 원소설에서는 그러나 그렇게 많은 원소가 있는 것을 쉽게 받아들일 수가 없었다. 또한 19세기 말에 원자 속에서 전자가 방출된다는 것이 관측되었고 이의 질량, 전하 등 전자의 물리적인 속성이 규명되었다. 이제 원자는 물질을 구성하는 기본요소가 아닌 것이 명백해졌고, 원자(atom)이라고 이름 붙였던 것도 무의미하게 되어 버렸다.

그러면 전자를 머금고 있는 이 원자는 어떤 구조를 하고 있을까? 이에 대한 몇 가지 제안이 1903년부터 톰슨 등으로부터 있어왔지만 1910년경 러더퍼드가 원자를 알파 입자의 탐침으로 어루만져본 결과로 생각한 원자모형이 가장 그럴 듯 하였다.

_ 전하

톰슨의 원자모형

원자 내부에 전자가 있다!

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톰슨(J. J. Thomson: 1856~1940)_ 영국의 물리학자로 전자를 발견하였다.

19세기 중반 관속에 기체를 뽑아낸 저압의 상태에서 양단에 고압을 걸어주면 두 극 사이에 어떤 흐름이 생겨나고, 이것이 형광물질을 빛나게 한다는 것을 발견하였다. 이 흐름을 면밀히 조사한 결과 그 실체는 음의 전하를 띠고 있는 입자라는 것을 알았다. - 의 전하를 띠고 있어 이것을 음극선이라 명명하였는 데 이후 톰슨(J. J. Thomson)은 이 입자의 전하와 질량비(e/m)을 측정하였고, 뒤이어 밀리컨(Millikan)은 전하를 측정하였다.

전자의 질량: 9.109 x 10^-31 kg (~ 수소원자의 1/1837)

전자의 전하량: -1.602 x 10^-19 C

따라서 전자의 전하는 물질의 기본전하량을 가지고 있으나 질량은 원자의 질량에 비해서 매우 가볍다. 그렇다면 전자를 포함하고 있는 원자는 어떠한 구성을 하고 있을까? (지금 현재로도 전자는 물질을 이루는 기본원소로 인정되고 있다)

톰슨의 원자모형 - 건포도빵 모형

전자의 성질이 규명되고 또한 전자는 모든 원자가 보편적으로 가지고 있다 는 것과 물질 속에 들어 있는 전자의 수가 원자번호와 엇비슷하다는 것 을 알게 된 후, 톰슨은 전자를 포함하는 새로운 원자모형을 창안하였다. 이 모형에서 전자는 정지해 있어야 하는 데 그렇지 않다면 전자가 복사파를 방출하기 때문이다. 원자는 원자번호에 상당하는 수의 전자를 그 속에 포함하고 있으며 원자가 전체적으로 중성이므로 같은 양의 양전하가 원자 전체에 걸쳐서 퍼져 있다고 생각하였다. 전자가 원자에 비하여 훨씬 가벼우므로 양전하의 영역은 원자의 질량의 대부분을 차지하고 있을 것이다.

이 모형은 아래 그림과 같이 + 전하가 넓게 퍼져 있는 속에 전자가 마치 건포도빵(plum pudding cake)의 건포도처럼 박혀 있는 것이다.

톰슨의 원자모형은 비정상 제이만 효과, 고체의 성질 등 그 당시 알려졌던 몇몇 관찰 결과를 성공적으로 설명하기도 했지만 그렇지 못한 것도 많았다. 예를들어 균일한 양전하에서 전자는 조화진동을 하게 되는 데 이 전자의 진동으로 부터 원자의 스펙트럼을 설명하는 시도는 실패하였다. 그러나 이 모형이 폐기되는 데 결정적인 역할을 한 것은 1911년의 러더퍼드가 알파입자를 탐침으로 사용한 실험이었다.

_ 비정상 제이만 효과_ 조화진동_ 고체_ 전하