원자

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개요

성질을 잃지 않으면서 도달할 수 있는 최소단위. 화학적 방법을 통하여 더 이상 쪼갤수 없는 최소 단위. 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있다.

구조

원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있으며 원자핵은 중성자와 양성자로 이루어져 있다.

역사

고대 그리스에서 수많은 철학자들은 우주와 물질의 근원에 관해 고민을 했다. 그중 데모크리토스는 “아주 작아서 보이지도 않고 더 이상 나누어 지지 않는” 물질의 근원이 되는 요소가 있으며 이를 atom이라고 정의했다.

원자모형의 역사

뉴턴 시대에는 원자가 작고, 단단하고, 분리할 수 없는 구라고 생각했다. 이는 기체 분자 운동론에 대한 기본적인 근거를 제시했지만 계속된 실험을 통해 원자의 전기적인 성질이 나타나면서 새로운 모형들을 만들어야 했다.

톰슨의 원자모형

1898년 톰슨은 수박이나 푸딩에 비유하여 양전하 밀도를 가진 부피 내에 전자들이 수박씨나 건포도와 같이 존재한다는 모형을 제안하였다. 그러면 원자는 전반적으로 중성이 된다.

러더퍼드의 원자모형

1911년 러더퍼드는 실험을 통하여 톰슨의 모형이 잘못되었다는 사실을 발견한다. 알파입자를 얇은 금속 박에 충돌시키면 대부분은 그냥 통과하지만 일부는 큰 각도로 반사된다는 것을 발견했다. 러더퍼드는 마치 종이에 15인치 포탄을 발사했는데 그게 튕겨나온 것과도 같았던 믿을 수 없는 이 현상을 설명하기 위해 새로운 모형을 제시하는데 원자에서 양전하의 집합을 핵이라고 하였으며 전자는 상대적으로 외부의 큰 공간에 존재한다고 가정했다. 그리고 전자들이 전기력에 의해 끌려가지 않는 이유를 설명하기 위해 핵 주위의 궤도를 회전하고 있다고 설명했다.

보어의 수소 원자 모형

러더퍼드의 원자모형은 전자가 원자핵에 끌려가지 않는 이유를 설명하지 못했다. 맥스웰 전자기학에 의하면 전하를 띈 입자가 가속 운동하면 전자기파의 형태로 에너지를 방출하게 되어 점점 에너지를 잃는데, 그에 의해 러더퍼드 모형이 주장하는 것처럼 원자핵 주위를 영원히 회전운동(당연히 가속운동이다)하는 전자는 있을 수 없기 때문이다. 보어는 이를 플랑크의 아이디어인 양자화된 에너지 준위를 러더퍼드의 공전하는 원자내 전자에 적용하였다.

보어는 플랑크의 양자 이론, 아인슈타인의 광자에 대한 개념, 러더퍼드의 원자모형, 뉴턴 역학의 개념들을 합쳤으며 또한 몇 가지 가정으로 새로운 모형을 만들어 냈다.

1. 전자는 전기적인 인력을 받아 양성자 주위를 원운동 한다.
2. 특정 전자 궤도만이 안정하다.
3. 에너지가 상대적으로 높은 처음의 전자궤도에서 낮은 전자궤도로 전자가 전이할 때 원자로부터 복사가 방출된다.
4. 허용 전자 궤도의 크기는 전자의 궤도 운동량에 부과되는 조건에 의해서 결정된다.

현대 원자 모형

하이젠베르크의 불확정성의 원리로 인해 전자의 위치와 속도를 동시에 정확하게 나타내는 것은 불가능함이 밝혀졌다. 따라서 원자핵 주변에 전자구름이 에워싸고 있고 여기에 전자들이 확률적으로 존재한다고 보고 있는데, 이것을 오비탈이라고 부른다.