원자의 구조 1<원자모델의 발전>

예전에 제 지인이 물어봤던 오비탈에 대한 설명을 용이하게 하기위한 배경 지식에 가까운 글입니다.
전공자의 글이 아니며 제가 알고 이해하는 선에서 알려드리기 위함임을 밝힙니다.

 

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세상의 물질이 원자라는게 알려진것은 사실 그리 오래된 이야기는 아니죠. 고대 그리스의 철학자들은 만물의 근원이 물이다. 4가지 원소다. 하면서 물질의 근원은 각자의 생각에서 이야기를 했고 사실 아리스토텔레스의 이러한 4원소설은 실제 17세기까지 그 명맥을 이어오게 됩니다..

하지만 근대화학의 아버지라고 불리우는 프랑스의 화학자 라부아지에는 이러한 4원소설에 대해 여러가지 실험을통해 물이 원자가 아니며 물은 어떤 두가지 원소의 결합임을 밝혀냅니다. 물이 근원물질이라는 이론이 깨진것이죠.

이어 돌턴은 이산화탄소등의 결합기체에서 일정한 비율로만 결합함을 알아냈고 이를통하여 우리가 알고 있는 물질들은 더이상 나눌수 없는 아주 작은 원소로 이루어졌다고 가정하였고 이를 '원자론'으로 정립하였는데요, 여기서부터 원자의 모형은 발전해 나가기 시작합니다.
돌턴은 최초의 원자모형을 그냥 딱딱한 구형의 모양으로 상상하였다고 했는데, 여기선 기본적으로 원자가 '쪼갤수 없다'는 생각에 기인한 것으로 볼 수 있습니다..

<존 돌턴>

하지만 이후의 톰슨은 음극선 실험을 통해 전자의 존재를 발련함으로서 원자라는것이 더이상 쪼갤수 없는 것이 아님을 증명하였고, 전자가 (-)전하를 띠는것에 반해 원자는 전기적으로 중성임을 이용하여 양전하를 띠고 있는 푸딩같은 형체에 전자가 건포도처럼 박혀있는 푸딩모형을 상상하게 되니다.

          

 

이후에 러더퍼드는 알파입자 산란실험을 통해서 톰슨의 모형이 틀렸음을 증명하기에 이릅니다. 아주 얇은 금박에 알파입자(헬륨원자핵)을 쏘았더니 대부분의 알파입자는 통과하고 아주 일부만 각도가 꺽인다던지 아니면 아예튕겨나온다던지 하는 경향이 있다는것을 보며 '원자의 내부는 거의 비어있으며, 대부분의 질량이 한점에 뭉쳐져 있다'고 생각하게 되죠. 이 질량이 뭉쳐져 있는것이 (+)전하를 띤 양성자이고 전자는 그 주위를 돈다는 우리게게도 여전히 가장 많이 알려져 있으며 설명을 위해 가장많이 쓰이기도하는 러더퍼드의 원자모형입니다. 아래 그림이 바로 그 알파입자 산란실험이고, 러더퍼드가 생각한 원자모형입니다.

<알파입자 산란 실험>

 

재미있는 사실은 러더퍼드가 바로 톰슨의 제자였던 것입니다. 제자가 스승의 이론을 바꾼것이죠~^^

사실 대부분의 사람들이 알고 있는 모형은 러더퍼드의 모형이라고 생각하시면 맞습니다. 가장 설명하기도 편리하고 이해하기도 쉽죠.(그래서 여전히 교양수준에서 원자의 원리나 구조를 설명할때에는 이 모형을 사용하는것 같습니다.) 흔히 태양계모형이라고도 하며 우리가 흔히 볼고 직관적으로 알기에도 편하기때문에 이후에 나오는 보어의 모형역시 전자기학적 문제점을 해결하기위해 보완적인 형태를 갖추지만 기본적으로는 이 러더퍼드의 모형을 추종합니다.
이 전자기학적인 문제점이란 바로 (+)전하를 가진 양성자와 (-)전하를 가진 전자가 상호 운동을 하면 전자기파가 발생되고 이는 전자의 에너지 손실을 의미하므로 점차 궤도가 낮아져 결국엔 원자핵과 전자가 충돌해야한다는 모순이 생긴것이죠.

보어의 모델은 이것을 약간 보완한 형태로 나타냅니다. 바로 전자가 도는 궤도는 일정한 에너지 준위를 갖고 있으며 그 에너지 준위를 도는 전자는 에너지의 가감없이 안정된 상태로 유지될수 있다는 이론이고 모형입니다. 아래와 같은 모양입니다.

<보어의 원자모형>

기본적인 모양은 러더퍼드의 모양과 동일하지만 안정된 궤도가 각각 존재한다는 것을 알 수 있습니다.
K, L, M... 이런식으로 구분된 안정된 궤도를 '전자껍질'이라고 부르는데요. 각각의 에너지 준위가 있고 그것을 전자가 이동하면서 에너지를 흡수하기도 방출하기도 한다~~ 뭐 이런 얘기들이 있는데요, 이것에 대한 것은 다음 포스트가 될 '주기율표'와 '오비탈'에서 좀 더 자세히 다루겠습니다.
보어의 모델과 함께 동위원소와 중성자에 대한 발견도 이루어지는데 이것역시 주기율표에서 언급하도록 하겠습니다.

이 이후에 나온 모델이 바로 오비탈 모형입니다.

지금까지 알아본 모형의 형태를 종합해서 보면 아래 그림과 같습니다.

그럼 이번 포스트는 이것으로 마칩니다.
다음 포스트는 주기율표와 전자껍질과의 관계를 한번 작성해보겠습니다.

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전공자가 아닌 교양수준에서 쓴 글입니다. 오류에 대한 피드백은 언제나 감사하게 받겠습니다.^^

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