원자모형의 변천과정 조원:20804 김민우 20808 김재익 20813 백선준

돌턴의 원자모형 영국의 화학자인 돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 단단한 알갱이로 보았다. 이를 원자설에 기초하여 이론적으로 만든 것이 돌턴의 원자 모형이다. 같은 종류의 원자는 크기, 모양, 질량이 같고, 다른 종류의 원자는 크기, 모양, 질량이 다르다. 화학 반응에서는 원자의 배열만 변하고 원자가 쪼개지거나 새로 생기지 않는다.

톰슨의 원자모형 톰슨은 1897년에 음극선 실험을 통해서 (-)전하의 존재성을 발견하였다. 즉 원자 속에 (-) 전하를 띤 입자들이 있다고 주장했다, 그의 말대로라면 원자는 더 이상 나눌 수 없지 않았다. 돌턴의 원자 모형은 틀린 것이라는 것을 결정적으로 입증하는 계기가 되었다. 그래서 새로운 원자 모형이 필요함을 느낀 톰슨은 일명 "푸딩 모형"이라고도 불리는 원자 모형을 고안하였다. 그 모형은 푸딩에 들어 있는 건포도처럼, (+)전하를 띠고 있는 원자 속에 (-)전하를 띠고 있는 전자가 들어 있는 것을 형상화한 모형이다. 과학자들은 진공 방전관 ((거의) 진공 상태의 유리관에 전압을 거는 관)에 전압을 걸면 음극선이라 하는 정체불명의 선이 나옴을 발견하였다. 그래서 그 선의 성질을 알기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. 음극선으로 바람개비 회전시키기: 성공하였습니다. 그러므로 음극선은 어떤 질량을 입자임을 알 수 있었습니다. -음극선이 지나가는 길에 장애물을 두어 그림자 관찰하기: 그림자가 생겼다. 그러므로 음극선은 직진하는 성질을 가졌다는 것을 알 수 있었다. -자기장과 전기장에 의한 음극선의 휘어진 관찰하기: 음극선은 (-)전하를 띤다는 것을 알 수 있었다. 톰슨은 이러한 실험 결과를 이용해서 비전하 e/m을 측정한 결과, 일정한 것을 알 수 있었다. 그래서 이 음극선을 이루는 입자는 모든 원자를 구성하는 입자라는 것을 알 수 있었다.

러더퍼드의 원자모형 러더퍼드의 이론적 배경 러더퍼드는 1911년 알파 입자 산란 실험을 통해 원자핵의 존재를 발견했습니다. 그리고 자신이 발견한 원자핵을 설명할 수 있는 새로운 원자 모형을 제시하였습니다. 즉 원자의 중심에는 (+)전하를 가진 작은 원자핵이 존재하고, 그 주위에(-)전하를 가진 전자들이 돌고 있어 원자는 전체적으로 중성을 나타내며,원자핵과 전자의 정전기적 인력을 극복하기 위하여 전자가 원자핵 주위를 돌면서 원심력과 정전기적 인력이 평형을 이룬다는 원자의 태양계 모형을 발표하였습니다. 러더퍼드의 특징과 한계 러더퍼드는 원자핵의 질량은 매우 크지만 크기는 매우 작다는 것과 서로 다른 원자는 원자핵의 전하가 다르다는 것을 발견하였으며, 그 후 모즐리의 실험을 통해 서로 다른 원자들의 핵전하가 측정되었다. 그러나 러더퍼드의 모형으로는 원자의 안정성을 설명할 수 없었다. 전자기학 이론에 의하면 원운동하는 전자는 가속도운동을 하는 것이므로 전자기파를 방출하게 된다. 따라서 전자의 에너지가 감소하여 운동속도가 느려지면서 원자핵 쪽으로 전자가 끌려가 결국에는 원자핵에 충돌해야 한다. 이때 전자가 원자핵에 충돌하는시간을 이론적으로 계산하면10~12초 정도이므로 원자가 존재할 수 없다는 결과가 나온다. 즉 러더퍼드의 원자모형에 의한 원자에서 전자가 에너지를 방출하면 회전속도가 점점 감소하고, 이 때 전자의 회전운동 에너지가 연속적으로 감소하므로 원자들에 의해 방출되는 복사 에너지의 스펙트럼은 연속 스펙트럼이어야 하기 때문이다.

러더퍼드의 원자모형

보어의 원자모형 보어의 양자가설은 양자 가설에 대한 가설과 진동수 조건에 대한 가설이다. 1가설 1가설인 양자 조건은 '원자 내의 전자는 특정한 조건을 만족하는 원궤도에서만 회전할 수 있으며, 전자가 이 궤도를 따라 운동할 때에는 전자기파를 방출하지 않는다.’는 가설로 보어의 양자조건이라고 한다. 질량 m인 전자가 반지름 r인 안정한 상태의 궤도를 속력 v로 원운동하고 있을 때, 2∏rmv=nh 조건을 만족하는 궤도에서만 전자가 존재한다는 내용이다. 이때 h는 플랑크 상수이며, n은 허용된 궤도의 순서를 나타내는 궤도의 양자수이다. 2가설 2가설인 진동수 조건은 '전자가 한 정상 상태에서 다른 정상 상태로 전이할 때 두 상태의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 광자로 방출하거나 흡수한다.'는 가설로 보어의 진동수 조건이라고 한다. 전자가 높은 에너지인 En에서 정상 상태의 낮은 에너지인 Em로 전이할 때 그 에너지 차이에 해당하는 광자를 방출한다. 이때 방출하는 광자의 에너지는 En - Em = hf이다.

보어의 원자모형 보어의 원자모형은 원자의 구조가 어떻게 안정하게 존재할 수 있는가를 전기양자론에 의하여 설명하고 있다. 전자는 양자화된 특별한 에너지를 가진 궤도만 돌 수 있다는 것과 수소 원자가 방출하는 빛의 스펙트럼 등을 설명함으로써 고전 물리학자과 양자역학의 교량 구실을 했다. 문제점 전자가 원자핵 주위의 궤도에서 회전 운동을 하고 있다는 증거가 없으므로, 전자가 원자핵 주위를 돌고 있는 특정한 궤도가 있다라고 말하기 보다는 그 궤도에 해당하는 부분에 전자가 존재하는 확률이 크다는 설명이 옳다. 이처럼 전자의 특정한 궤도 대신에 전자의 확률적 분포를 나타내기 위하여 전자가 원자핵 주위에 전자구름을 만들고 있다는 새로운 원자 모형이 제시되었다. 또한, 보어의 원자 모형으로는 기체가 강한 자기장에 높였을 때 나타나는 제만효과(기체의 선스펙트럼이 강한 자기장에서 작은 간격의 몇 개의 선으로 분리되는 현상)를 설명할 수 없기 때문에, 자기 양자수를 도입하여 핵 주위의 전자 구름이 공간에서 어떤 방향으로 존재하는지를 설명한다. 공간상에서 방향이 서로 다른 궤도들은 평소에는 에너지 준위가 같지만, 강한 전기장이나 자기장에서는 방향에 따라 에너지 준위가 달라진다.

현대의 원자모형 S 오비탈 오늘날은 원자를 구성하는 전자의 분포를 확률적으로 나타내는데, 이처럼 전자의 상태를 확률적으로 나타낸 것이 오비탈이다. 오비탈의 종류에는 s오비탈과 p오비탈이 있다. s오비탈은 공 모양이며, 방향성이 없고, 전자가 2개까지 들어갈 수 있다. p오비탈은 아령 모양으로, 같은 전자 껍질에 에너지 준위가 같은 3개의 p오비탈이 세 방향으로 분포하며, 각각 2개씩 전자가 들어갈 수 있다. 현대적 원자 구조는 전자가 핵 주위의 어떤 공간을 차지하는가를 확률적으로 보여주는 오비탈 개념으로 설명하고 있다. 즉, 화학 결합은 원자 사이에 전자 교환을 통하여 이루어지는데, 화학자들은 결합의 세기를 원자 사이에 오비탈들이 얼마나 효과적으로 겹칠 수 있는가를 따져 이해한다. 정확한 오비탈을 통하여 분자에 관한 모든 정보를 얻을 수 있으며, 원자들이 어떤 구조로 결합하여 분자를 형성하는지도 알 수 있다. P 오비탈