1.원자의 구조와 원소의 기원

1.원자를 구성하는 입자

물질은 무엇으로 이루어져 있을까에 대한 논쟁이 고대 학자들 사이엥서 오랫동안 계속 되어 온 이후 기원전 400년경 그리스의 철학자 데모크리토스는 이세계의 모든 물질은 더이상 쪼개지지 않는 원자로 이루어져 있다 라고 생각하였다.하지만 그의 생각이 그 당시 학자들에게는 인정을 받지 못하다가,19세기 초 돌턴에 의해 다시 빛을 보게 되었다.돌턴은 '물질을 이루는 기본 입자는 원자이다' 라고 주장하였다.즉 더이상 쪼갤 수 없는 가장 기본이 되는 입자가 원자라는 원자설을 확립하였다.돌턴 이후 많은 과학자들이 다양한 실험을 통해 물질의 구조를 밝히려는 노력을 한 결과,원자는 전자,양성자,중성자와 같은 작은 입자로 이루어져 있다는 것을 알게 되었다.나아가 오늘날에는 원자 현미경을 통해서 원자의 상을 얻을 수 있게 되었다.현재 알려져 있는 원자의 구성 입자가 어떻게 발견되었는지 알아보자.

(1)전자의 발견

1.톰슨의 음극선 실험과 전자의 발견 : 톰슨은 그림과 같이 진고 ㅇ유리관을 거의 진공 상태로 만든 후 유리관 양 끝에 전원을 설치하고 높은 전압을 걸어주자 -극에서 +극으로 빛을 내는 선이 직진하는 것을 관찰하였는데,이 선이 바로 음극선이다.진공관 양 끝에 전압을 걸어줄 떄 발생하는 빛은 음극선 자체가 내는 것은 아니고,진공관 안에 있던 기체가 음극선의 에너지를 받아서 에너지가 높은 상태였다가 낮은 상태로 되었을 떄 방출하는 빛이다.또한 톰슨은 전기 충전판에서 음극선의 진로에 전기장이나 자기장을 걸어 줄 떄 음극선이 +극 쪽으로 휘는 것을 보고,음극선은-전하를 띠는 입자의 흐름이라는 것을 알아냈는데,이 입자가 바로 전자이며,전자는 원자를 구성하는 입자의 한 종류라고 하였다.

전자의 질량에 대한 전하량의 비 : 톰슨은 외부에서 전기장이나 자기장을 걸어 줄 떄 음극선이 휘는 것을 관찰하고 이를 바탕으로 전자의 질량에 대한 전하량의 비를 측정하여 그 값을 다음과 같이 밝혀내었다.톰슨은 당시에 알려져 있던 수십종의 금속을 사용하여 실험을 한 결과,전자의 질량에 대한 전하량의 비가 서로 같고 그 값은 음극선에 걸어 준 전압의 크기,진공관에 넣어 준 기체의 종류와도 상관없이 항상 일정하였음을 발견하였다.따라서 톰슨은 전자가 전극으로 사용한 금속의 종류와도 상관없이 항상 일정하였음을 발견하였다.따라서 톰슨은 전자가 전극으로 사용한 금속의 종류에 관계없이 모두 발생하므로 전자는 모든 원자를 구성하고 있는 입자의 한 종류라고 생각하였고, 원자는 전기적으로 중성이어야 하므로 +전하도 포함하고 있어야 한다고 추론하였다.이를 바탕으로 톰슨의 새로운 원자 모형이 창안된 것이다.

3.톰슨의 원자 모형 : 톰슨은 전자의 발견을 바탕으로 새로운 원자 모형을 제안하였다.톰슨의 실험 이전에는 돌턴의 원자설에 따라 원자는 물질을 이루는 가장 작은 입자로서 더이상 쪼개질 수 없다고 생각하였다.하지만 음극선 실험을 통해서 원자를 구성하는 입자인 전자가 발견되었기 떄문에 돌턴의 원자 모형은 수정되어야만 했다.톰슨이 주장한 새로운 원자 모형은 전자가 양전하를 띤 물질 속에 묻혀 있는 것이 특징이다.마치 건포도가 박혀 있는 부드러운 푸딩으로 묘사할 수 있다.여기서 건포도를 전자라 생각하고 건포도를 감싸고 있는 푸딩 전체를 양전하라고 생각해 보자.이렇게 생각한 이유는 실험결과를 토대로 보면,양전하를 띤 공 모양ㅇ의 물체에 박혀 있던 음전하를 띤 입자가 튀어나와야 음극선과 같은 전자의 흐름이 가능하다고 생각했기 떄문이다.

4.전자의 전하량 측정: 톰슨은 전자의 질량에 대한 전하량의 비,즉 비전하는 구했지만 전자 1개의 질량과 전하는 아라내지 못하였다.후에 1909년 미국의 물리학자 밀리컨 이 기름방울법을 통해서 전자의 전하량을 측정하였고 이를 토대로 과학자들은 전자의 음전하량을 약속하였다.밀리컨이 구한 전자의 전하량과 톰슨이 구한 비전하를 통해서 전자의 질량을 계산할 수 있는데,그 값은 9.1x10*-29g이다.즉,전자는 원소 중에서 질량이 가장 작은 수소 원자의 1/1837배 정도로 매우 가벼운 입자임을 알 수 있다.

(2)양극선과 양성자의 발견

전자가 발견되기 전인 1886년 독일의 물리학자인 골트슈타인은 오른쪽 그림처럼 바엊ㄴ관 안에 낮은 압력의 기체를 채우고 한쪽 끝에는 양극판을,가운데에는 구멍을 작게 뚫은 음극판을 놓은 다음,전극에 높은 전압을 걸어 주면+전하를 띤 입자가-극으로 향하는 양극선이 존재한다는 것을 발견하였다.하지만 양극선의 정체는 골트슈타인에 의해 정확하게 파악되지 못하였고 러더퍼드에 의해 밝혀졌다.음극선의 질량에 대한 정하량의 비는 방전관에 들어 있는 기체의 종류에 상관없이 일정한 값을 갖는다.즉,전자 1개의 전하는 일정하다.그러나 전자와는 달리 양극선의 경우에는 방전관 안에 들어 있는 기체의 종류에 따라 생성되는 양극선의 질량에 대한 전하량의 비가 달라진다.이때 양극선의 질량에 대한 전하량의 비가 가장 큰 값을 갖는 경우는 방전관 안에 수소 기체를 넣었을 떄로,이는 방전관 안에서 생성된 수소 이온의 질량이 가장 작다는 것을 의미한다.이를 바탕으로 1919년에 러더퍼드는 수소 이온의 전하가 원자핵을 이루는 전하의 단위라고 제안하였으며 이 입자를 양성자라고 하였다.

(3)원자핵의 발견(러더퍼드,1911년)

1.러더퍼드의 a입자 산란 실험 : 러더퍼드는 a입자 산란 실험을 통해 원자는 대부분이 빈 공간이며,중심에 크기는 매우 작지만 원자 질량의 대부분을 차지하는+전하를 띠는 부분이 존재한다는 것을 발견하고,이 부분을 원자핵이라고 하였다.그 후 러더퍼드는 모든 원소에 공통적으로 들어 있는+전하를 가진 기본적인 입자인 양성자를 발견하였다.더불어 수소 원자의 원자핵은 양성자 1개로 되어 있고,더 큰 원자는 더 많은 수의 양성자를 포함한다고 제안하였다.

2.러더퍼드의 원자 모형 : 러더퍼드는 a입자 산란 실험 결과를 토대로 원자의 내부 공간은 대부분 비어 있으며 +전하를 띤 원자핵이 중심에 있고 그 주위를 전자가 회전하는 모향을 제안하였다.원자핵이+전하를 띠는 이유는 핵 속에 양성자를 포함하기 떄문이며,또한 원자핵 주위를 전자가 빠른 속도로 회전하는데,그 이유는 원자핵 주변을 돌고 있지 않으며 -전하를 띤 전자가+전하를 띤 핵에 끌려가기 떄문이다.러더퍼드의 원자 모형은 핵을 최초로 언급한 모형이라는 점에서 의의가 있지만 원자의 안정성과 선스펙트럼을 설명하지 못하는 한계를 가진다.

3.중성자 발견:전자와 양성자의 발견으로 원자 구조의 윤곽이 어느 정도 잡히는듯 하였지만 러더퍼드는 새로운 의문을 갖기 시작하였다.원자가 중성이라면 같은 수의 전자와 양성자를 가져야 하는데,실험에 의하면 수소를 제외한 모든 원자들의 질량은 전자 수와 양성자 수를 합한 질량보다 더 크게 측정되었다.이로부터 원자에는 양성자와 전자 외에 질량을 가진 또 다른 입자가 존재할 것이라는 예상을 하게 되었다.헬륨 원자핵의 전하와 질량을 측정한 실험에서 원자핵의 전하는 양성자의 2배지만,질량이 4배인 사실로부터 중성이면서 비교적 질량이 큰 입자가 핵 안에 존재할 것이라고 예측되었다.이후 영국의 과학자 채드윅은 베릴륨 원자핵에 a입자를 충돌시켰을 떄 전하를 띠지 않는 입자가 튀어 나오는 것을 발견하고,이 입자를 중성자라고 하였다.중성자는 전기적으로 중성이고 원자핵 속에 있을 떄는 안정하지만 밖에 있을 떄는 매우 불안정한 입자이다.이로써 양성자만으로는 설명하지 못했던 헬륨 원자핵의 질량을 중성자의 발견으로 설명할 수 있게 되었다.즉,중성자의 질량은 양성자와 비슷한 값으로 원자의 질량은 전자,양성자,중성자 수를 합한 질량과 같게 된 것이다.결국 원자를 이루는 전자,양성자,중성자의 존재가 모두 밝혀졌다.