원자 모형의 변천사

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

물질을 이루는 기본 입자인 '원자'의 개념은 역사에 따라 크게 바뀌어 왔지요.

● 원자 개념의 역사

너무 작아 눈에 보이지 않는 원자를 쉽게 이해하기 위해서 그림, 모형으로 나타낸 것을 '원자 모형'이라고 합니다. 원자의 개념이 변화한 것처럼, 이 원자 모형도 시대에 따라 변화하게 됩니다.

이번 시간에는 원자 모형의 변천사에 대해 알아보도록 할게요.

양성자, 중성자, 전자로 이루어져있는 원자에 대해서 다시 한 번 읽어보고 오신다면 더 이해가 잘 되겠죠? ^^

● 원자와 이온

*** 돌턴 - 단단한 공 모형 (1803년)

돌턴[John Dalton, 1766~1844]은 원자라는 개념을 처음으로 확립한 과학자입니다.

돌턴은 원자 모형을 '쪼개지지 않는 단단한 공 모양'으로 생각했습니다.

이 모형으로 원자설을 설명하기도 했지요.

정말 단순한 모형이지만 이전까지 철학적으로만 '존재할 것이다'라는 식으로 생각해왔던 원자를 실제로 존재하는 입자 모형을 들어 화학 법칙을 설명했다는 것에 큰 의의가 있습니다.

*** 톰슨 - 푸딩 모형 (1897년)

톰슨[Sir Joseph John Thomson, 1856~1940]은 영국의 물리학자입니다.

전자의 존재를 처음 발견하였고, 이 업적으로 1906년 노벨 물리학상을 수상하였습니다.

또한 양성자의 수는 같지만 질량이 다른 원소인 '동위원소'를 발견하는 큰 업적을 세운 과학자입니다.

톰슨의 원자 모형은 (+)전하를 띄는 큰 원자안에 전자가 하나하나 박혀있는 형태입니다.

많은 참고 자료에서 푸딩에 건포도가 박혀있다는 설명이 나오는데요, 이 설명은 조금 잘못된 점이 있습니다. 푸팅에 박혀있는 건포도는 움직이지 않지만, 톰슨이 사용한 원자 모형은 전자가 움직인다고 생각하고 봐야합니다.

*** 러더퍼드 - 행성 모형 (1911년)

러더퍼드[Ernest Rutherford, 1871~1937]는 영국의 물리학자 입니다.

특히 핵물리학 분야에서 이룬 큰 업적으로 '핵물리학의 아버지'로 불린다고 하네요.

앞서 언급했던 톰슨의 제자이기도 합니다.

러더퍼드는 실험을 통해 원자 안에 핵이 있다는 사실을 발견합니다.

이 실험은 러더퍼드의 학생이었던 한스 가이거와 어니스트 마스덴이 시행하여서 '가이거-마스텐 실험(Geiger-Marsden_experiment)'이라고 불립니다.

이 실험에 대해서 간단하게 설명하자면 (+)전하를 띠는 입자를 원자에 통과시켜 보는 실험이었습니다. 만약 톰슨의 푸딩 모형이 맞다면 이 입자는 원자를 그대로 통과했겠지요. 하지만 실험 결과 원자를 통과하지 못하고 튕겨나오는 입자를 확인하였고 원자핵의 존재를 증명하게 됩니다.

러더퍼드의 행성 모형은 아래 그림과 같습니다. 중심에 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 행성처럼 움직이는 모형입니다.

*** 보어 - 궤도 모형 (1913년)

보어[Niels Henrik David Bohr, 1885~1962]는 덴마크의 물리학자입니다.

보어는 원자 구조와 양자역학(분자, 원자, 전자 같은 아주 작은 물질의 물리학)을 연구하여 1922년에 노벨 물리학상을 받았습니다.

보어는 러더퍼드의 행성 모형의 문제점을 수정하여 궤도 모형을 만들었습니다. 러더퍼드의 모형은 (+)전하를 띄는 원자핵과 (-)전하를 띄는 전자가 전기적 인력에 의해 충돌하여 붕괴된다는 이론적 모순이 있었습니다.

보어는 이러한 문제를 수정해서 '전자가 원자핵과 결코 만나지 못하는 궤도가 있다'라고 주장했지요. 그래서 원자핵 주위 일정한 위치에서 전자가 원 궤도를 돌고 있는 모형을 만들어냈습니다.

보어의 원자 모형은 지금 여러분이 배우는 과학책에서 가장 많이 볼 수 있는 모형이기도 합니다 ^^

*** 현대 - 전자 구름 모형

지금은 양자역학의 발전에 따라 위 그림과 같은 모형을 사용하고 있습니다.

원자핵 주위에 파란색으로 옅게 표시된 것처럼 전자가 구름처럼 퍼져 있는 모형이죠. 전자의 위치를 정확하게 알 수 없기 때문에 '구름(cloud)'이라는 표현을 사용합니다.

전자의 궤도는 존재하지 않고, 전자를 발견한 확률만을 알 수 있다는 것이죠.

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원자 모형은 과학의 발전에 따라 계속 변화해왔습니다. 앞으로도 더 많은 연구와 과학적 발견에 따라 원자 모형은 변화하게 되겠지요. 여러분이 새로운 원자 모형을 발견하는 위대한 과학자가 될 수도 있습니다. 항상 호기심과 의문을 가지고 능동적으로 학습하시길 바랍니다 ^^

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