원자 모형의 변화

원자 모형의 변화 

원자의 개념은 기원전 약 400년경 그리스의 데모크리토스에서부터 시작합니다. 당시 고대 그리스에서는 물질은 무한히 작게 나눌 수 있으며 연속적이라고 생각하였으나, 데모크리토스는 물질을 계속해서 쪼개 나가면 궁극적으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 작고 단단한 입자에 도달할 것으로 생각하고, 이것을 원자(atomos)라고 불렀습니다. 데모크리토스는 최초로 사물이 입자로 구성되었다고 생각하였으나 그의 생각이 실험에 바탕을 둔 것이 아닌 상상 속의 원자라는 점, 그리고 널리 인정받지 못했다는 점에서 한계를 지닙니다.

 

그 후 약 2000여 년 이상이 흐른 1803년, 돌턴이 원자설을 발표합니다. 돌턴의 원자설은 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 되어 있으며 원자의 종류가 다르면 크기와 질량이 달라지는 등의 생각을 담고 있으며 화학 발전의 주춧돌이 됩니다. 돌턴의 원자설로 인해 물질의 기본 입자는 원자라는 생각이 자리 잡게 되었습니다. 돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 공과 같은 모양으로 생각하였고, 이는 최초의 원자 모형이라고 볼 수 있습니다.

 

하지만 돌턴의 원자설도 원자 내부의 입자들이 발견되면서 흔들리게 되었습니다. 1897년 영국의 톰슨은 실험을 통해 원자 속에 (―) 전하를 띠는 전자가 있음을 발견했고, 원자가 전기적으로는 중성임을 알게 되었습니다. 그래서 원자 내부는 (+) 전하가 전체적으로 골고루 퍼져 있고, 전자가 빵 속 건포도처럼 박혀 있다고 생각했습니다. 이 발견으로 톰슨은 노벨상을 수상하였고, 톰슨의 전자 발견으로 원자를 깨지지 않는 딱딱한 공이라고 생각했던 돌턴의 생각이 잘못되었음이 밝혀졌습니다.

 

1911년 톰슨의 제자인 러더퍼드는 실험을 통해 원자 내부에 (+) 전하가 아주 작은 공간에 몰려 있는 것을 발견하게 되었고, 원자 내부의 중심에 원자핵이 있으며 그 주위를 (―) 전하를 띠는 전자가 마치 행성들이 태양 주위를 회전하듯이 돌고 있는 형태의 원자 모형을 주장합니다.

그러나 러더퍼드 모형에서도 잘못된 점은 있어, 1913년 덴마크의 보어는 러더퍼드 모형에서 잘못된 부분을 발견하고, 전자는 원자 내에서 정해진 궤도로만 회전한다고 가정하여 수정된 원자 모형을 제시하였습니다. 보어는 이를 통해 양자역학이라는 새로운 학문의 발전을 이끌어 내고 노벨상을 받았습니다.

 

그 후에도 과학자들의 연구는 끊이지 않아, 1932년 채드윅은 원자핵 내부에서 중성자를 발견하여 원자의 구조는 원자핵과 전자로 이루어져 있고, 원자핵에는 양성자와 중성자가 있다는 것을 밝혀 내어 노벨상을 수상하였습니다. 이후 추가적인 연구로 인해 현대의 원자 모형은 보어의 모형에서 조금 달라지게 되었습니다.

 

현대의 원자 모형은 먼저 ‘전자는 원자 내의 정해진 궤도로만 회전한다’는 보어의 생각을 수정하였습니다. 전자는 정해진 궤도가 없으며, 원자 내에서 전자를 발견할 수 있는 확률만을 고려합니다. 전자는 핵 주변의 어느 위치에서도 발견될 수 있습니다. 하지만 전자와 핵 사이의 에너지 관계를 고려하면, 전자는 핵에서 한참 떨어진 엉뚱한 곳보다는 핵 주변의 특정 영역에 존재할 확률이 더 큽니다. 현대 원자 모형은 이렇게 전자의 위치를 가능성으로 설명합니다.

▲원자 모형의 변화 과정(출처: 에듀넷)

[자료출처: 에듀넷]