[고등화학] 원자의 구조

1. 원자 구조에 대한 가설 변천

 

 

2. 돌턴(Dalton)의 원자설(1803년) : 단단한 공 모형

• 모든 물질은 더 이상 쪼개지지 않는 입자(원자)로 이루어져 있다.
• 같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같고, 다른 종류의 원자는 크기와 질량이 다르다.
• 원자는 없어지거나 새로 생기지 않으며, 다른 종류의 원자로 변하지 않는다.
• 서로 다른 원자들이 일정한 개수비로 결합하여 새로운 물질이 만들어진다.

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■ 돌턴 원자 모형의 한계점

1. 톰슨의 음극선 실험 결과를 설명할 수 없다. 다시 말해 원자는 전자와 원자핵으로 쪼개진다.
2. 같은 원소라도 크기와 질량이 다를 수 있음을 설명할 수 없다. 다시 말해 동위원소가 존재한다.

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3. 톰슨(Thomson)의 전자 발견(1897년) : 양전하를 띠는 입자에 전자가 박혀있는 푸딩 모형

• 음극선 : 진공상태 및 저압의 기체가 존재하는 유리관에 높은 전압을 걸 때 (-)극에서 (+)극으로 빛을 내며 직진하는 선
• 톰슨은 음극선 실험을 통해 음극선이 (-) 전하를 띠는 입자의 흐름이라는 것을 알아내고 이를 전자라고 하였다.

• ​음극선이 지나가는 길에 바람개비를 두면 회전한다. ☞ 음극선은 질량을 가진 입자로 구성된다.
• 음극선이 자나가는 길에 방해물을 두면 그림자가 생긴다. ☞ 음극선은 직진하는 입자로 구성된다.
• 전기장이나 자기장에 의해 (+)쪽으로 휜다. ☞ 음극선은 (-)전하를 띠는 입자로 구성된다.
• 전극에 사용한 금속과 무관하게 발생한다. ☞ 전자는 모든 원자를 구성하는 기본 입자이다.

 

■ 톰슨 원자 모형의 한계점

1. 러더퍼드의 α입자 산란 실험 결과를 설명할 수 없다. 다시 말해 원자핵은 크기가 작고 질량이 크다.

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4. 러더퍼드(Rutherford)의 원자핵 발견(1911년) : 전자가 원자핵 주위를 도는 행성 모형

• α입자 : 방사성 물질(84Po)에서 방출되는 양성자 2개와 중성자 2개가 결합한 헬륨 원자핵(4He2+)
• 러더퍼드는 α입자 산란 실험을 통해 원자의 중심에 (+) 전하를 띠는 부분이 존재하며, 이를 원자핵이라고 하였다.

α입자를 얇은 금박에 쏘아 그 입자의 궤적을 추적한다.

• ​대부분의 입자는 금박을 통과한다. ☞ 원자의 대부분은 빈 공간이다.
• 일부 입자는 금박을 지난 후 진로가 바뀌거나 되돌아온다. ☞ 크기가 작고 질량을 가진 (+)전하의 입자가 존재한다.

 

 

"원자는 그 중심이 아주 작은 공간에 무겁고 양으로 하전된 입자가 모여 있는데 이것이 핵이다. 따라서 양으로 하전된 α입자로 원자를 향해 쏘면 대부분의 입자는 핵 사이로 지나가기 때문에 진로가 바뀌지 않지만, 핵 가까이 지나가는 입자는 반발력 때문에 진로가 휘고, 핵을 향해 가는 입자는 되돌아온다."

- 네이버 참고 -

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■ 러더퍼드 원자 모형의 한계점

1. 행성 모형의 원자에서 전기력을 구심력으로 가속 운동하는 전자는 전자기파를 방출하여 에너지가 감소된다. 에너지가 감소되는 전자는 원자핵과 점점 가까워지다가 결국 원자핵과 충돌하게 된다. 이에 따라 러더퍼드의 행성 모형의 원자는 불과 10-12초 밖에 존재할 수 없게 된다. 다시 말해 행성 모형은 원자의 안정성을 설명할 수 없다.
2. 가속 운동하는 전자가 방출하는 전자기파는 연속 스펙트럼을 보여야 하는데, 원자는 각각 다른 선 스펙트럼을 보인다.

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5. 양성자와 중성자의 발견

• 골트슈타인(Goldstein) : 1886년 진공 방전관에 소량의 수소 기체를 넣고 고전압을 걸때 (+)극에서 (-)극 쪽으로 이동하는 입자의 흐름을 발견하고 이를 양극선이라 하였다.
• 러더퍼드(Rutherford) : 1919년 양극선이 수소의 원자핵(=양성자)의 흐름이라는 것을 밝혀냈다.
• 채드윅(Chadwick) : 1932년 베릴륨 α입자 산란 실험을 통해 베릴륨 원자핵에 α입자를 충돌시킬 때 전하를 띠지 않는 입자가 방출되는 것을 발견하고, 이를 중성자라고 하였다.