현재 우리가 쓰고 있는 원자모형은 슈뢰딩거 등이 양자역학을 바탕으로 만든 오비탈 모형이다. 하지만 처음부터 우리가 양자역학을 알았던 것도 아니다. 오비탈 모형은 여러가지 원자모형을 거쳐서 최종적으로 만들어진 원자모형이다. 그러면 원자모형은 어떻게 발달해왔을까? 이제부타 원자모형의 변천사에 관하여 알아보기로 하자.
1)돌턴의 원자설 돌턴은 원자를 딱딱한 모양이라고 생각하고 다음 4가지 이론을 발표했다. ①원자는 더 이상 쪼개질 수 없는 기본적인 입자이다. ②같은 종류의 원자는 질량 등의 성질이 모두 같다. ③원자는 다른 원자로 변환되지 않는다. ④화합물은 원자들이 일정한 비율로 결합한 것이다. 하지만 돌턴의 원자설 중에 2번과 3번은 맞지 않다는 것이 밝혀지면서 수정을 받았다. 2번의 경우에는 동위원소가 발견되면서 같은 종류의 원자라도 질량 등의 성질이 다를 수 있다는 것이 밝혀졌고 3번의 경우에는 방사성 동위원소가 방사선을 내면서 다른 원소로 바뀌는 것으로부터 틀렸다고 밝혀졌다. 하지만 돌턴의 원자론은 아직까지도 많이 다루어지고 있다. 존 돌턴
2)톰슨의 푸딩모형 톰슨은 음극선 실험을 통하여 모든 원자에 같은 종류의 물질이 들어있고 이 물질이 (-)극을 띤다는 것을 밝혀냈다. 이 음극선은 질량을 가지고 있으며 직진하는 성질이 있다는 것도 밝혀냈다. 후에 이 물질은 스토니가 전에 말한 전자라고 밝혀졌으며 톰슨은 전자의 발견으로 전체적으로 (+)극을 띤 원자 내에 (-)극을 띤 전자가 고루 퍼져있다는 푸딩모형을 제시하였다. 이 발견으로 돌턴의 원자설은 틀린 것이 되었지만 수정을 받아 더욱 탄탄한 기초 위에 서게 되었다. J.J. 톰슨
3)러더퍼드의 행성모형 1911년 러더퍼드는 라듐-88로부터 방출되는 알파입자를 얇은 금박에 충돌시켰을 때, ZnS 형광 스크린에 생긴 섬광으로 알파 입자가 어떻게 이동하는지 조사하였다. 그 결과 대부분의 알파입자들은 그가 예상했던대로 금박을 직선으로 통과했지만 약 20000개 중 1개 정도의 알파입자는 큰 각도로 휘어졌으며, 어떤 것은 뒤쪽으로 튕겨나갔다. 알파입자는 매우 에너지가 높은 입자라서 톰슨의 가설대로라면 그냥 금박을 뚫고 나가야 한다. 그러나 뒤쪽으로 튕겨지거나 큰 각도로 휘어졌다는 것은 원자 안에 매우 무겁고 (+)전하를 가진 무언가가 있어야 한다는 것이다. 러더퍼드는 이 입자를 원자핵이라고 명명하였고 전자가 행성처럼 원자핵 주위를 돈다고 생각했다. 그러나 이 이론에 따르면 전자가 원자핵에 충돌하여 원자가 존재할 수 없다는 결론에 도달하고 수소 원자의 선스펙트럼을 설명할 수 없었다. 어니스트 러더퍼드
4)보어의 원자모형 보어는 원자 내에 전자기파를 방출하지 않고 전자가 안정하게 회전할 수 있는 궤도가 존재한다는 가설을 세웠다. 고전 전자기학 이론에 따르면 전자기파가 방출되어야 하지만 원자의 세계는 예외라는 것이다. 이 가설로 보어는 원자의 안정성 문제를 단숨에 해결했으며, 수소 원자의 선스펙트럼을 유도하였다. 이러한 보어의 모형은 당시에는 혁명적인 것이었다. 하지만 수소 원자 외의 선스펙트럼을 설명할 수 없었으므로 나중에 수정되었다. 닐스 보어
5)현대적 원자 모형 1927년 하이젠베르크는 양자 역학을 이용하여 전자의 위치와 속력을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 불확정성 원리를 발표하였다. 따라서 전자의 속도와 위치를 정확하게 결정할 수 있다는 보어의 이론은 틀린 것이 되고 말았다. 현대적 원자 모형에 따르면 전자가 어떤 운동을 하는지, 어디에 있는지는 정확히 알 수 없으며, 전자가 존재할 확률만을 알 수 있다. 오비탈이란 전자의 존재 확률 분포를 나타낸다.(전자가 도는 궤도인 orbit과 헷갈리면 안돼요~) 수소 원자를 예로 들면 전자의 존재 확률은 핵에서 가장 크며 핵에서 멀어질수록 감소한다. 그래서 오비탈은 전자의 존재 확률이 90%인 공간을 나타내는 경계면이다. 베르너 하이젠베르크 에르빈 슈뢰딩거
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