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원자론

Atomic theory
"원자 모델"은 여기로 방향을 바꿉니다. 수학 논리학에서 관련이 없는 용어는 원자 모형(수학 논리학)을 참조하십시오.
이 글은 원자의 존재와 행동을 이해하는 역사적 발전에 관한 것입니다. 원자가 어떻게 결합하여 분자를 형성하는지에 대한 연구의 역사는 분자 이론의 역사를 참조하십시오. 원자 이론에서 발전한 원자에 대한 현대적인 관점은 원자 물리학을 참조하십시오.
원자의 현재 이론적 모델은 전자의 확률적인 "구름"으로 둘러싸인 조밀한 핵을 포함합니다.

원자론은 물질이 원자라는 입자로 구성되어 있다는 과학 이론입니다. 물질이 궁극적으로 이산 입자로 구성된다는 개념은 고대의 생각이지만, 19세기에 과학자들이 가스의 행동과 화학 원소들이 서로 어떻게 반응하는지를 설명할 수 있다는 것을 발견하면서 과학적 신뢰를 얻었습니다. 19세기 말까지 원자론은 과학계에서 완전히 받아들여졌습니다. 그것은 역사상 가장 중요한 과학적 발견 중 하나였습니다.

"원자"라는 용어는 "자를 수 없다"는 의미의 그리스어 atomos에서 왔습니다. 존 돌턴(John Dalton)은 화학 원자가 물질의 기본 입자라는 잘못된 믿음 아래 이 용어를 화학 원소의 기본 입자에 적용했습니다. 과학자들이 돌턴의 소위 원자들이 그들 자신의 근본적인 구조를 가지고 있다는 것을 깨닫기까지는 또 한 세기가 걸렸습니다. 정말로 나눌 수 없는 입자는 이제 "기본 입자"라고 불립니다.

철학적 원자론

주요 기사: 원자론
참고 항목: 연금술

물질이 분리할 수 없는 작은 입자들로 구성되어 있다는 기본적인 생각은 많은 고대 문화에서 등장했던 오래된 생각입니다. 원자라는 단어는 "자를 수 없다"는 의미의 고대 그리스어 atomos에서 유래되었습니다.[a] 이 고대의 사상은 과학적 추론보다는 철학적 추론에 바탕을 두고 있었습니다. 현대 원자 이론은 이러한 오래된 개념에 기초하지 않습니다.[1][2] 19세기 초, 과학자 존 돌턴은 화학 물질이 서로 불연속적이고 일관된 무게 단위로 결합하는 것처럼 보인다는 것을 알아차렸고, 그는 원자라는 단어를 이 단위들을 가리키는 데 사용하기로 결정했습니다.[3]

지반공사

18세기 말에 이르러 원자론이라는 개념을 언급하지 않고 화학의 중요한 여러 발전이 나타났습니다. 첫 번째는 앙투안 라부아지에가 어떤 원소를 과학자들이 실험으로 더 단순한 물질로 분해할 수 없는 물질로 재정의한 것입니다. 이것은 물질의 원소가 불, 땅, 공기, 물이라는 고대의 생각을 종식시켰는데, 이것은 실험적인 뒷받침이 없었습니다. 라부아지에는 물이 수소와 산소로 분해될 수 있다는 것을 보여주었고, 이는 다시 그가 더 간단한 것으로 분해될 수 없다는 것을 증명함으로써 이것들이 원소임을 증명했습니다.[4] 라부아지에는 또한 질량 보존 법칙을 정의했는데, 이 법칙은 화학 반응에서 물질이 공기 중으로 나타나지도 사라지지도 않으며, 관련된 물질이 변형되더라도 전체 질량은 동일하게 유지된다는 것입니다. 마침내 1797년 프랑스의 화학자 요제프 프루스트에 의해 성립된 정비례의 법칙이 있었는데, 이 법칙은 화합물을 구성하는 화학원소로 분해하면 원래 화합물의 양이나 출처에 관계없이 그 구성성분의 질량은 항상 같은 중량비를 갖게 된다는 것입니다.[5]

돌턴의 다중 비율 법칙

화학 철학의 새로운 시스템으로부터(John Dalton 1808).

John Dalton은 자신과 다른 과학자들이 수집한 데이터를 연구했습니다. 그는 나중에 다중 비율의 법칙으로 알려지게 된 패턴을 발견했습니다: 두 개의 특정 원소를 포함하는 화합물에서, 원소 B의 측정당 원소 A의 양은 작은 정수의 비율로 이러한 화합물에 따라 다릅니다. 이는 각 원소가 기본량의 배수로 다른 원소와 결합한다는 것을 시사했습니다.

1804년, 돌턴은 그의 친구이자 동료 화학자인 토마스 톰슨에게 그의 원자 이론을 설명했고, 그는 1807년 그의 책 A System of Chemistry에서 돌턴의 이론에 대한 설명을 발표했습니다. 톰슨에 따르면 돌턴의 아이디어는 "고분자 가스"(에틸렌)와 "탄화수소 가스"(메탄)를 실험할 때 처음 떠올랐습니다. 돌턴은 '탄화수소가스'가 탄소 1제곱미터당 수소를 '고분자가스'보다 2배 더 많이 함유하고 있다는 사실을 발견하고, '고분자가스'의 분자는 탄소원자 1개와 수소원자 1개, '탄화수소가스'의 분자는 탄소원자 1개와 수소원자 2개라는 결론을 내렸습니다. 실제로 에틸렌 분자는 탄소 원자 2개와 수소 원자 4개를24 가지고 있고, 메탄 분자는 탄소 원자 1개와 수소 원자 4개를4 가지고 있습니다.[6] 이 특별한 경우에 돌턴은 이 화합물들의 공식에 대해 잘못 알고 있었고, 그것은 그만의 실수가 아니었습니다. 하지만 다른 경우에는, 그는 그들의 공식을 맞췄습니다. 다음의 예는 돌턴의 자신의 저서 화학철학의 새로운 체계(1808, 1817, 2권)에서 나옵니다.

예 1 — 주석 산화물: 돌턴은 두 종류의 산화 주석을 발견했습니다. 하나는 돌턴이 '주석의 산화물'이라고 지칭한 회색 가루로 주석 88.1%, 산소 11.9%입니다. 다른 하나는 돌턴이 "주석의 중산화물"이라고 부르는 흰색 가루로 주석 78.7%, 산소 21.3%입니다. 이 수치를 조정하면, 회색 가루에는 주석 100g당 약 13.5g의 산소가 있고, 흰색 가루에는 주석 100g당 약 27g의 산소가 있습니다. 13.5와 27은 1:2의 비율을 형성합니다. 이 화합물들은 오늘날 주석으로 알려져 있습니다.II) 산화물(SnO) 및 주석(IV) 산화물(SnO2). 돌턴의 용어로 '프로톡사이드'란 산소 원자가 하나 들어 있는 분자를 말하며, '도데옥사이드'는 2개의 분자를 가지고 있습니다.[7][8] (주석산화물은 사실 결정이지만 분자 형태로는 존재하지 않습니다.)

예 2 — 산화철: 돌턴은 두 개의 철 산화물을 발견했습니다. 돌턴이 '철의 산화물'이라고 부르는 검은 가루인 산화철은 한 종류가 있는데, 철 78.1%, 산소 21.9%입니다. 또 다른 산화철은 붉은 가루인데 돌턴은 이를 '철의 중간 혹은 붉은 산화물'이라 부르며 철은 70.4%, 산소는 29.6%입니다. 이 수치를 조정하면 검은 가루에는 철 100g당 약 28g의 산소가 있고, 붉은 가루에는 철 100g당 약 42g의 산소가 있습니다. 28과 42는 2:3의 비율을 형성합니다. 이 화합물들은 철입니다.II) 산화물과 철(III) 산화물의 공식은 각각 FeO와22 FeO입니다23(철(II) 산화물의 공식은 보통 FeO로 표기되지만 여기서는 다른 산화물과 대조하기 위해 FeO로22 표기합니다). 돌턴은 "중간 산화물"을 "산화물 원자 2개와 산소 1개"로 표현했는데, 이는 철 원자 2개와 산소 3개를 더한 것입니다. 이것은 모든 철 원자에 대해 평균적으로 산소 원자의 1.5개의 원자를 가지며, "프로톡사이드"와 "듀톡사이드"의 중간에 위치합니다.[9][10]

예 3 — 질소 산화물: 돌턴은 질소의 세 가지 산화물, 즉 "아산화질소", "아산화질소", "아산화질소", "질산"을 알고 있었습니다.[11] 이들 화합물은 오늘날 각각 아산화질소, 산화질소, 이산화질소로 알려져 있습니다. "산화질소"는 질소 63.3%와 산소 36.7%로, 질소 140g당 산소 80g을 가지고 있습니다. "질소가스"는 질소 44.05%, 산소 55.95%로 질소 140g당 산소가 160g이라는 뜻입니다. "질산"은 질소 29.5%와 산소 70.5%로 질소 140g당 산소 320g을 가지고 있습니다. 80g, 160g, 320g이 1:2:4의 비율을 형성합니다. 이러한 화합물의 공식은 NO2, NO 및 NO입니다2.[12][13]

돌턴은 원자를 화학물질의 '궁극 입자'라고 정의했고, 그는 '화합물 원자'라는 용어를 사용하여 두 개 이상의 원소를 포함하는 '궁극 입자'를 언급했습니다. 이것은 원자는 화학 원소의 기본 입자이고 분자는 원자의 응집체라는 현대의 정의와 일치하지 않습니다. 돌턴의 동시대의 몇몇 사람들에게 '화합물 원자'라는 말은 불가분성을 내포하고 있어 혼란스러웠지만, 그는 이산화탄소 '원자'가 분열되면 이산화탄소가 아니라고 대답했습니다. 이산화탄소 "원자"는 더 작은 이산화탄소 입자로 나눌 수 없다는 점에서 나눌 수 없습니다.[3][14]

돌턴은 '원소 원자'가 어떻게 결합하여 '화합 원자'(오늘날 우리가 분자라고 부르는 것)를 형성하는지에 대해 다음과 같은 가정을 했습니다. 두 원소가 하나의 화합물만 형성할 수 있을 때, 그는 그것이 각각 하나의 원자라고 가정했고, 그는 이것을 "이진 화합물"이라고 불렀습니다. 두 원소가 두 개의 화합물을 형성할 수 있다면 첫 번째 화합물은 2원 화합물이고 두 번째 화합물은 첫 번째 원소의 원자 하나와 두 번째 원소의 원자 두 개로 구성된 "3원 화합물"입니다. 만약 두 원소가 세 개의 화합물을 형성할 수 있다면, 세 번째 화합물은 첫 번째 원소의 원자 하나와 두 번째 원소의 원자 세 개를 포함하는 "4차" 화합물입니다.[15] 돌턴은 물이 "이진 화합물", 즉 수소 원자 하나와 산소 원자 하나라고 생각했습니다. 돌턴은 천연 기체 상태에서 산소, 질소, 수소의2 궁극적인 입자가 쌍(O2, N2, H)으로 존재한다는 사실을 알지 못했습니다. 또한 그는 원자가에 대해서도 알지 못했습니다. 원자의 이러한 성질은 19세기 후반에 발견되었습니다.

돌턴은 19세기의 방법으로 직접 무게를 달기에는 원자가 너무 작기 때문에 대신 무수히 많은 원자의 무게를 수소 원자 무게의 배수로 표현했는데, 돌턴은 이 원소가 가장 가벼운 원소라는 것을 알고 있었습니다. 그가 측정한 바로는 산소 7그램이 수소 1그램과 결합하여 아무것도 남지 않은 물 8그램을 만들게 되는데, 물 분자를 산소 원자 1개와 수소 원자 1개로 가정하면 산소의 원자량은 7이라고 결론지었습니다. 실제로는 16살입니다. 19세기 초 측정 도구의 조잡함은 차치하고라도, 돌턴은 물 분자가 사실 수소 원자가 1개가 아니라 2개라는 사실을 몰랐기 때문입니다. 그가 알았다면, 그는 그의 추정치를 더 정확한 14로 두 배로 늘렸을 것입니다. 이 오류는 1811년 아메데오 아보가드로에 의해 수정되었습니다. 아보가드로는 동일한 온도와 압력에서 동일한 부피의 두 기체가 동일한 수의 분자를 포함한다고 제안했습니다(즉, 기체 입자의 질량은 기체가 차지하는 부피에 영향을 미치지 않습니다).[16] 현재 일반적으로 아보가드로의 법칙으로 불리는 아보가드로의 가설은 기체 원소 분자의 상대적인 무게를 추론하는 방법을 제공했는데, 가설이 정확하다면 상대적인 기체 밀도는 기체를 구성하는 입자의 상대적인 무게를 직접적으로 나타내기 때문입니다. 이러한 사고방식은 직접적으로 두 번째 가설로 이어졌습니다: 특정 원소 기체의 입자는 원자의 쌍이었고, 화학적으로 반응할 때 이 분자들은 종종 두 개로 갈라집니다. 예를 들어, 수소 2리터가 산소 1리터와 반응하여 수증기 2리터를 만들어낸다는 사실은 산소 분자 하나가 둘로 쪼개져서 물 분자 2개를 만들어낸다는 것을 암시했습니다. 물의 공식은 HO가 아니라 HO입니다2. 아보가드로는 산소의 원자량을 15.074로 측정했습니다.[17]

원자론에 대한 반대

돌턴의 원자론이 모든 과학자들에게 즉각적으로 받아들여진 것은 아닙니다. 배수의 법칙은 유기물에 관한 한 보편적인 법칙이 아닌 것으로 나타났습니다. 예를 들어 올레산에는 탄소 216g당 34g의 수소가 있고 메탄에는 탄소 216g당 72g의 수소가 있습니다. 34와 72는 17:36의 비율을 이루는데, 이는 작은 정수의 비율이 아닙니다. 우리는 이제 탄소 기반 물질이 다른 어떤 원소보다 더 큰 분자를 가질 수 있다는 것을 알고 있습니다. 올레산의 공식은 CHO이고18342 메탄의 공식은 CH입니다4.[18] 다중 비율의 법칙은 그 자체로 완전한 증명이 아니었고, 원자론이 보편적으로 받아들여진 것은 19세기 말이 되어서였습니다.

한 가지 문제는 균일한 명명법이 없다는 것이었습니다. "원자"라는 단어는 나눌 수 없는 것을 의미했지만, 돌턴은 원자를 원소나 심지어 물질 자체가 아니라 어떤 화학 물질의 궁극적인 입자라고 정의했습니다. 이는 '기본 원자'가 아닌 이산화탄소와 같은 '화합물 원자'를 나눌 수 있다는 것을 의미했습니다. 돌턴은 "분자"라는 단어를 싫어했고, 그것을 "소수"라고 여겼습니다.[3][19] 아메데오 아보가드로는 그와 반대로, 그는 그의 글에서 "분자"라는 단어만 사용하고 "원자"라는 단어는 피하고 대신 "초등 분자"라는 용어를 사용했습니다.[20] 욘스 야콥 베르셀리우스는 세 가지 이상의 원소를 포함하는 입자를 가리키는 용어로 "유기 원자"라는 용어를 사용했는데, 이것은 유기 화합물에만 존재한다고 생각했기 때문입니다. 장바티스트 뒤마는 '물리적 원자'와 '화학적 원자'라는 용어를 사용했는데, '물리적 원자'는 온도와 압력 등 물리적 힘으로 나눌 수 없는 입자이고, '화학적 원자'는 화학 반응으로 나눌 수 없는 입자입니다.[21]

원자와 분자, 즉 원소의 기본 입자인 원자와 원자의 집합체인 분자에 대한 현대적인 정의는 19세기 후반에 확립되었습니다. 핵심적인 사건은 1860년 독일에서 열린 카를스루에 회의였습니다. 최초의 국제 화학자 대회로서, 그것의 목표는 지역 사회에서 몇 가지 표준을 확립하는 것이었습니다. 스타니슬라오 카니차로는 원자와 분자를 현대적으로 구분하는 데 중요한 역할을 했습니다.

서로 다른 분자의 구성에 관여하는 특정 원소의 다양한 양은 항상 분리할 수 없는 실체로 나타나는 기본 양의 정수 배이며 원자로 명명되어야 합니다.

— Stanislao Cannizzaro, 1860[22]

칸니차로는 베르셀리우스와 같은 과거의 화학자들이 특정 기체 원소의 입자가 실제로는 원자의 쌍이라는 사실을 받아들이지 않아 특정 화합물의 제형이 잘못되었다고 비판했습니다. 베르셀리우스는 수소 기체와 염소 기체 입자가 하나의 원자라고 생각했습니다. 그러나 그는 수소 1리터와 염소 1리터가 반응하면 염화수소 1리터 대신 염화수소 2리터를 형성한다는 것을 관찰했습니다. 베르셀리우스는 아보가드로의 법칙이 화합물에는 적용되지 않는다고 판단했습니다. 칸니차로는 과학자들이 단일 원소 분자의 존재를 받아들이면 연구 결과의 그러한 불일치가 쉽게 해결될 것이라고 주장했습니다. 그러나 베르셀리우스는 그것에 대해 한마디도 하지 않았습니다. 베르셀리우스는 단 하나의 원소를 포함하는 기체 입자에 대해 "기본 원자"라는 용어를 사용했고, 둘 이상의 원소를 포함하는 입자에 대해 "복합 원자"라는 용어를 사용했습니다. 그러나 베르셀리우스는 H를2 믿지 않았기 때문에 H와2 H를 구별할 수 있는 것은 아무것도 없었습니다. 그래서 카니차로는 수소 분자가 화학 반응 과정에서 두 개의 원자로 쪼개질 수 있다는 것을 과학자들이 이해할 수 있도록 재정의를 요구했습니다.[23]

원자론에 대한 두 번째 반대는 철학적이었습니다. 19세기의 과학자들은 원자를 직접 관찰할 방법이 없었습니다. 그들은 돌턴의 다중 비율 법칙과 같은 간접적인 관찰을 통해 원자의 존재를 추론했습니다. 일부 과학자들, 특히 실증주의 학파에 귀속된 과학자들은 과학자들이 우주의 더 깊은 현실을 추론하려고 시도할 것이 아니라 그들이 직접 관찰할 수 있는 패턴이 무엇인지만 체계화해야 한다고 주장했습니다. 반원자론자들은 원자가 원소들이 어떻게 반응하는지 예측하는 데 유용한 추상체가 될 수 있지만 구체적인 현실을 반영하지는 못한다고 주장했습니다.

그러한 과학자들은 때로 동등한 무게의 이론을 선호했기 때문에 "동등성학자"로 알려졌는데, 이는 프루스트의 정비례 법칙을 일반화한 것입니다. 예를 들어, 수소 1그램은 산소 8그램과 결합하여 물 9그램을 형성하므로 산소의 "당량"은 8그램입니다. 이 입장은 결국 19세기 후반에 일어난 두 가지 중요한 발전, 즉 주기율표의 개발과 분자가 그들의 성질을 결정하는 내부 구조를 가지고 있다는 발견에 의해 좌절되었습니다.[24]

이성질체

과학자들은 일부 물질들이 정확히 같은 화학적 함량을 가지고 있지만 다른 특성을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 1827년 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)는 풀민산은과 시안산은이 모두 은 107부, 탄소 12부, 질소 14부, 산소 16부임을 발견했습니다(현재 우리는 이들의 공식을 모두 AgCNO로 알고 있습니다). 1830년 욘스 야콥 베르셀리우스는 현상을 설명하기 위해 이성질체라는 용어를 도입했습니다. 1860년, 루이스 파스퇴르는 이성질체의 분자가 같은 원자 집합을 가지지만 다른 배열을 가지고 있을지도 모른다는 가설을 세웠습니다.[25]

1874년 야코부스 헨리쿠스 반트 호프는 탄소 원자가 4면체 배열로 다른 원자와 결합할 것을 제안했습니다. 이를 통해 그는 한 화합물이 얼마나 많은 이성질체를 가질 수 있는지 예측할 수 있는 방식으로 유기 분자의 구조를 설명했습니다. 예를 들어, 펜탄(CH512)을 생각해 보세요. van't Hoff의 분자 모델링 방식에서는 펜탄에 대해 세 가지 가능한 구성이 있는데, 과학자들은 펜탄의 이성질체를 세 가지와 세 가지만 발견했습니다.[26][27]

n-펜탄
이소펜탄
네오펜탄
Jacobus Henricus van't Hoff의 분자 구조 모델링 방법은 펜탄(CH512)의 세 이성질체를 정확하게 예측했습니다.

이성질체는 원자론에 대한 대안 이론, 예컨대 급진 이론이나 유형 이론으로 충분히 설명될 수 있는 것이 아니었습니다.[28][29]

멘델레예프 주기율표

주요 기사: 주기율표

드미트리 멘델레예프는 원소들을 원자량에 따라 일렬로 배열했을 때 그들에게 일정한 주기성이 있다는 것을 알아차렸습니다.[30]: 117 예를 들어, 두 번째 원소인 리튬은 아홉 번째 원소인 나트륨과 비슷한 성질을 가지고 있었고, 열여섯 번째 원소인 칼륨은 7의 기간을 가지고 있었습니다. 마찬가지로 베릴륨, 마그네슘, 칼슘도 비슷했고 모두 멘델레예프의 식탁에서 일곱 자리나 떨어져 있었습니다. 멘델레예프는 이러한 패턴을 이용하여 나중에 자연계에서 발견된 새로운 원소, 즉 스칸듐, 갈륨, 게르마늄의 존재와 성질을 예측했습니다.[30]: 118 게다가 주기율표는 게르마늄과 탄소가 같은 그룹에 있고 그들의 원자는 각각 2개의 산소 원자(GeO와2 CO2)와 결합하는 등 한 원자가 한 원자와 결합할 수 있는 다른 원소의 원자 수를 예측할 수 있었습니다. 멘델레예프는 이러한 패턴이 원자 이론을 검증한다는 것을 발견했는데, 이는 원소들이 원자량에 따라 분류될 수 있다는 것을 보여주었기 때문입니다. 어떤 기간의 중간에 새로운 요소를 삽입하는 것은 그 기간과 다음 기간 사이의 평행선을 깨뜨릴 것이고, 또한 돌턴의 다중 비율 법칙에 위배될 것입니다.[31]

멘델레예프의 1871년 주기율표.

현대 주기율표에서 위에서 언급한 원소들의 주기율은 7이 아니라 8인데, 그 이유는 멘델레예프가 자신의 표를 고안했을 때 비활성 기체들이 알려지지 않았기 때문입니다. 또한 행들은 이제 양자 이론에 맞게 다른 길이(2, 8, 18, 32)를 가지고 있습니다.

브라운 운동

1827년, 영국의 식물학자 로버트 브라운은 물에 떠다니는 꽃가루 알갱이들 내부의 먼지 입자들이 뚜렷한 이유 없이 끊임없이 뒤뚱거리는 것을 관찰했습니다. 1905년, 알버트 아인슈타인은 이 브라운 운동이 물 분자들이 계속해서 알갱이들을 두드리면서 발생한다고 이론을 세우고, 그것을 설명하기 위한 수학적 모델을 개발했습니다. 이 모델은 1908년 프랑스의 물리학자 장 페랭에 의해 실험적으로 검증되었으며, 그는 아인슈타인의 방정식을 사용하여 원자의 크기를 측정했습니다.[32]

다양한 단순 분자의 운동 직경
몰레큘 페린의 측정값[33] 현대측량
헬륨 1.7 × 10−10 m 2.6 × 10−10 m
아르곤 2.7 × 10−10 m 3.4 × 10−10 m
수성. 2.8 × 10−10 m 3×10m−10
수소 2×10m−10 2.89 × 10−10 m
산소 2.6 × 10−10 m 3.46 × 10−10 m
질소 2.7 × 10−10 m 3.64 × 10−10 m
염소 4×10m−10 3.20 × 10−10 m

통계역학

이상기체 법칙과 통계적 형태의 물리학을 도입하기 위해서는 원자의 존재를 가정할 필요가 있었습니다. 1738년 스위스의 물리학자이자 수학자인 다니엘 베르누이는 기체와 열의 압력이 모두 분자의 근본적인 운동에 의한 것이라고 가정했습니다.

1860년 원자론을 주장하는 제임스 클러크 맥스웰은 물리학에서 통계역학을 처음으로 사용했습니다.[34] 루트비히 볼츠만과 루돌프 클라우지우스는 기체와 열역학 법칙, 특히 엔트로피와 관련된 제2법칙에 대한 그의 연구를 확장했습니다. 1870년대에 Josiah Willard Gibbs는 엔트로피와 열역학의 법칙을 확장하고 "통계역학"이라는 용어를 만들었습니다. 아인슈타인은 나중에 깁스의 법칙을 독자적으로 재창조했는데, 왜냐하면 깁스의 법칙들은 잘 알려지지 않은 미국 저널에서만 인쇄되었기 때문입니다.[35] 아인슈타인은 나중에 깁스의 연구에 대해 알았다면, "그 논문들을 전혀 발표하지 않았을 것이고, 나 자신을 [분명한] 몇 가지 사항들에 대한 취급에 국한시켰을 것입니다"라고 말했습니다.[36] 모든 통계역학과 열, 기체, 엔트로피의 법칙들은 원자의 존재를 필요한 가정으로 삼았습니다.

전자의 발견

주요 기사: 전자 및 플럼 푸딩 모델
음극선(파란색)은 음극에서 방출되어 슬릿에 의해 빔으로 날카롭게 된 다음 두 개의 전기가 흐르는 플레이트 사이를 지나면서 굴절되었습니다.

1897년 J.J. 톰슨이 음극선에 대한 연구를 통해 전자를 발견하기 전까지 원자는 물질의 가능한 가장 작은 분열로 여겨졌습니다.[37]

크룩스 튜브는 진공에 의해 두 개의 전극이 분리된 밀봉된 유리 용기입니다. 전극에 전압이 인가되면 음극선이 발생하여 튜브의 반대쪽 끝에 있는 유리에 빛나는 패치가 생성됩니다. 실험을 통해 톰슨은 전기장과 자기장에 의해 광선이 편향될 수 있다는 것을 발견했습니다. 그는 이 광선들이 빛의 형태가 아니라 매우 가벼운 음전하를 띤 입자들로 구성되어 있다고 결론지었습니다. 톰슨은 이것들을 "각근"이라고 불렀지만, 다른 과학자들은 전하의 기본 단위를 명명하기 위해 조지 존스톤 스토니가 제안한 1894년에 따라 전자라고 불렀습니다.[38] 그는 전자의 질량이 가장 작은 원자인 수소의 질량보다 1,800배나 더 작다고 측정했습니다. 전자는 매우 가볍지만 전하를 많이 운반하기 때문에 톰슨은 전자가 전기 효과의 기본 입자임에 틀림없다고 결론 내렸습니다.[39]

톰슨은 전기를 설명하려고 했지만 그의 이론은 원자가 과학자들이 생각했던 분리할 수 없는 실체가 아니라는 것을 수반했습니다. 원자의 음전하를 띤 부분은 전류의 작용으로 인접한 원자와 결합하기 위해 분리됩니다. 전자가 흐르지 않을 때 음전하는 원자 내에서 양전하의 어떤 공급원에 의해 균형을 이루어 원자를 전기적으로 중성으로 만들어야 합니다. 이것은 플럼 푸딩 모델로 알려지게 되었는데, 플럼 푸딩 모델은 크리스마스 푸딩의 과일 조각처럼 양전하를 띤 구에 전자가 박혀 있다고 상상했습니다.[40]

핵의 발견

주요 기사: 가이거-마스덴 실험
가이거-마스덴 실험
왼쪽: 예상 결과: 알파 입자가 원자의 플럼 푸딩 모델을 무시할 수 있는 편향으로 통과합니다.
오른쪽: 관찰된 결과: 입자의 작은 부분이 핵의 집중된 양전하에 의해 편향되었습니다.

톰슨의 매실 푸딩 모델은 1909년 그의 전 제자 중 한 명인 어니스트 러더퍼드에 의해 대체되었는데, 그는 원자의 질량과 양전하의 대부분이 부피의 아주 작은 부분에 집중되어 있다는 것을 발견했고, 그는 바로 그 중심에 있다고 가정했습니다.

어니스트 러더퍼드와 그의 동료 한스 가이거, 어니스트 마스덴은 알파 입자의 전하 대 질량 비율을 측정하는 장비를 만들려다 어려움을 겪은 후 톰슨 모델에 대해 의구심을 갖게 되었습니다. 알파 입자는 검출 챔버의 공기에 의해 산란되고 있었고, 이것은 측정을 신뢰할 수 없게 만들었습니다. 톰슨은 음극선에 관한 그의 연구에서 비슷한 문제를 겪었는데, 그는 그의 기기에 거의 완벽한 진공을 만들어 냄으로써 그 문제를 해결했습니다. 러더퍼드는 알파입자가 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 이와 같은 문제에 부딪힐 것이라고는 생각하지 못했습니다. 톰슨의 원자 모형에 따르면, 원자의 양전하는 알파입자를 편향시킬 만큼 강한 전기장을 생성할 만큼 충분히 집중되어 있지 않으며, 전자는 너무 가벼워서 훨씬 더 무거운 알파입자에 의해 쉽게 밀려나야 합니다. 하지만 산란이 있었기 때문에 러더퍼드와 그의 동료들은 이 산란을 주의 깊게 조사하기로 결정했습니다.[41]

1908년에서 1913년 사이에 러더퍼드와 그의 동료들은 금속의 얇은 포일에 알파 입자를 폭격하는 일련의 실험을 수행했습니다. 그들은 알파 입자가 90°보다 큰 각도로 편향되는 것을 발견했습니다. 러더퍼드는 이를 설명하기 위해 톰슨이 믿었던 것처럼 원자의 양전하가 원자의 부피 전체에 분포하는 것이 아니라 중심에 있는 작은 핵에 집중되어 있다고 제안했습니다. 그렇게 강렬한 전하의 농도만이 관측된 대로 알파 입자를 편향시킬 수 있을 정도로 강한 전기장을 만들 수 있습니다.[41] 러더퍼드의 모델은 때때로 "행성 모델"이라고 불립니다.[42]

보어 모형

주요 기사: 보어 모형

원자의 행성 모델에는 두 가지 중요한 단점이 있었습니다. 첫 번째는 태양 주위를 도는 행성과 달리 전자는 전하를 띤 입자라는 것입니다. 가속하는 전하는 고전 전자기학에서 라모르 공식에 따라 전자기파를 방출하는 것으로 알려져 있습니다. 궤도를 도는 전하는 에너지를 꾸준히 잃고 핵을 향해 나선형으로 회전하면서 아주 짧은 순간에 핵과 충돌해야 합니다. 두 번째 문제는 행성 모델이 관측된 원자의 고도로 정점을 찍은 방출 및 흡수 스펙트럼을 설명할 수 없다는 것이었습니다.

원자의 보어 모형

양자 이론은 20세기 초 막스 플랑크와 알버트 아인슈타인이 빛 에너지가 양자(단일 양자)로 알려진 이산적인 양으로 방출되거나 흡수된다고 가정하면서 물리학에 혁명을 일으켰습니다. 이로 인해 1910년 아서 에리히 하스의 양자 모델, 1912년 존 윌리엄 니콜슨의 양자 원자 모델 등 일련의 양자 원자 모델이 생겨나 각운동량을 h/2 π로 양자화했습니다. 1913년 닐스 보어는 이 아이디어를 원자에 대한 보어 모형에 통합했는데, 이 모형에서 전자는 고정된 각운동량과 에너지를 가진 특정 원형 궤도에서만 핵을 공전할 수 있으며, 핵으로부터의 거리(즉, 반지름)는 에너지에 비례합니다.[45] 이 모델에서 전자는 연속적인 방식으로 에너지를 잃을 수 없기 때문에 핵 안으로 나선형으로 들어갈 수 없었고, 대신 고정된 에너지 준위 사이에서 순간적인 "양자 도약"만 할 수 있었습니다.[45] 이것이 발생했을 때, 빛은 에너지의 변화에 비례하는 주파수로 방출되거나 흡수되었습니다(따라서 이산 스펙트럼에서 빛의 흡수와 방출).[45]

보어의 모델은 완벽하지 않았습니다. 다중전자 원자의 스펙트럼 라인이 아닌 수소의 스펙트럼 라인만 예측할 수 있었습니다.[46] 더 나쁜 것은 분광 기술이 향상됨에 따라 자기장을 적용하면 스펙트럼 선이 보어의 모델이 설명할 수 없는 방식으로 증식한다는 사실이 발견되었다는 점입니다. 1916년, 아놀드 조머펠트는 보어 모형에 추가 방출선을 설명하기 위해 타원 궤도를 추가했지만, 이로 인해 모형을 사용하기가 매우 어려웠고, 여전히 더 복잡한 원자를 설명할 수 없었습니다.[47][48]

동위원소의 발견

주요 기사: 동위원소

1913년 방사성 붕괴 생성물을 실험하던 중 방사성 화학자 프레드릭 소디는 일부 원소의 종류가 하나 이상인 것으로 보인다는 것을 발견했습니다.[49] 동위원소라는 용어는 마가렛 토드에 의해 이 품종들에 적합한 이름으로 만들어졌습니다.[50]

같은 해 J.J. 톰슨은 자기장과 전기장을 통해 네온 이온의 흐름을 전달하는 실험을 수행하여 다른 쪽 끝에 있는 사진판을 타격했습니다. 그는 플레이트에서 두 개의 빛나는 패치를 관찰했는데, 이는 두 개의 다른 편향 궤적을 시사합니다. 톰슨은 이것이 네온 이온들 중 일부가 다른 질량을 가지고 있기 때문이라고 결론 내렸습니다.[51] 이 다른 질량의 성질은 나중에 1932년에 중성자가 발견되면서 설명될 것입니다: 같은 원소의 모든 원자는 같은 수의 양성자를 포함하지만, 다른 동위원소는 다른 수의 중성자를 가지고 있습니다.[52]

핵입자의 발견

주요 기사: 원자핵과 중성자의 발견

1917년 러더퍼드는 질소 가스에 알파 입자를 폭격하고 가스에서 수소 핵이 방출되는 것을 관찰했습니다(러더퍼드는 이전에 수소에 알파 입자를 폭격하고 제품에서 수소 핵을 관찰했기 때문에 이것들을 인식했습니다). 러더퍼드는 수소 핵이 질소 원자 자체의 핵에서 나왔다고 결론지었습니다(사실상 그는 질소를 쪼갠 것입니다).[53]

러더퍼드는 자신의 연구와 제자 보어와 헨리 모즐리의 연구를 통해 어떤 원자의 양전하도 항상 정수 개의 수소 핵의 양전하와 동일할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 이것은 많은 원소들의 원자 질량이 수소 원자의 정수와 거의 동등하고 (그리고 가장 가벼운 입자로 가정되는) 결합으로 그는 수소 원자핵이 모든 원자핵의 단일 입자이자 기본 구성 요소라는 결론을 내리게 했습니다. 그는 그런 입자들을 양성자라고 이름 지었습니다. 러더퍼드의 추가적인 실험은 대부분의 원자들의 핵 질량이 그것이 가지고 있는 양성자들의 핵 질량을 초과한다는 것을 발견했고, 그는 이 잉여 질량이 이전에 알려지지 않은 중성 전하를 띤 입자들로 구성되어 있다고 추측했습니다.

1928년 발터 보테는 베릴륨이 알파 입자를 폭격할 때 매우 침투력이 높고 전기적으로 중성인 방사선을 방출한다는 것을 관찰했습니다. 이 방사선이 파라핀 왁스에서 수소 원자를 떨어뜨릴 수 있다는 사실이 나중에 밝혀졌습니다. 처음에는 감마선이 금속의 전자에 비슷한 영향을 미치기 때문에 고에너지 감마선으로 생각되었지만 제임스 채드윅은 에너지와 운동량이 상호작용에서 보존되는 한 전자기 방사선 때문에 이온화 효과가 너무 강하다는 것을 발견했습니다. 1932년 채드윅은 수소와 질소 같은 다양한 원소들을 신비한 "베릴륨 방사선"에 노출시켰고, 반동하는 하전 입자들의 에너지를 측정함으로써 방사선이 실제로 감마선처럼 질량이 없는 전기적으로 중성인 입자들로 구성되어 있다는 것을 추론했습니다. 하지만 대신 양성자와 비슷한 질량을 가져야 했습니다. 채드윅은 이 입자들을 러더퍼드의 중성자라고 주장했습니다.[54] 채드윅은 중성자를 발견한 공로로 1935년 노벨상을 수상했습니다.[55]

양자역학 모형

주요 기사: 양자역학사
네온 원자의 채워진 다섯 개의 원자 궤도는 왼쪽에서 오른쪽으로 에너지가 증가하는 순서로 분리 배열되어 있으며, 마지막 세 개의 궤도는 에너지가 같습니다. 각 궤도는 최대 2개의 전자를 보유하고 있으며, 이 전자들은 아마도 색의 거품으로 대표되는 영역에 존재할 것입니다. 각 전자는 두 궤도 영역에 동일하게 존재하며, 여기서 색상으로 표시된 것은 다른 파동 위상을 강조하기 위한 것입니다.

1924년 루이 드 브로이는 모든 입자, 특히 전자와 같은 아원자 입자는 관련 파동을 갖는다고 제안했습니다. 이 아이디어에 매료된 에르빈 슈뢰딩거는 전자를 점이 아닌 파동함수로 표현하는 방정식을[56] 개발했습니다. 이 접근법은 보어의 모델이 설명하지 못한 많은 스펙트럼 현상을 예측했지만, 시각화하기 어려웠고, 반대에 부딪혔습니다.[57] 비평가 중 한 명인 막스 본은 대신 슈뢰딩거의 파동함수가 전자의 물리적 범위를 설명하는 것이 아니라 전자가 측정될 때 특정 지점에서 발견될 확률을 제공한다고 제안했습니다.[58] 이것은 파동과 입자와 같은 전자의 개념을 조화시켰습니다. 전자 또는 다른 아원자 실체의 행동은 파동과 입자와 같은 측면을 모두 가지고 있으며, 한 측면이나 다른 측면이 관찰되는지 여부는 실험에 달려 있습니다.[59]

수소에 대한 슈뢰딩거의 파동 모델은 깨끗하고 명확하게 정의된 원형 궤도로 보어의 모델을 대체했습니다. 원자의 현대적 모델은 원자 내 전자의 위치를 확률로 설명합니다. 전자는 핵으로부터 어느 거리에서나 발견될 수 있지만, 에너지 준위와 각운동량에 따라 핵 주변의 특정 영역에 다른 영역보다 더 자주 존재하며, 이 패턴을 원자 궤도라고 합니다. 오비탈은 구, 덤벨, 토러스 등 다양한 모양으로 제공됩니다.-핵이 가운데에 있습니다.[60] 원자 궤도의 모양은 슈뢰딩거 방정식을 풀면 구할 수 있습니다.[61] 슈뢰딩거 방정식의 분석 솔루션은 수소 원자와 수소 분자 이온을 포함한 비교적 간단한 모델 해밀턴에 대해 알려져 있습니다.[62] 슈뢰딩거 방정식을 푸는 데는 전자가 두 개뿐인 헬륨 원자부터 시작하여 수치적 방법이 사용됩니다.[63]

질적으로 다중 전자 원자의 원자 궤도 모양은 수소 원자의 상태와 유사합니다. 파울리 원리는 하나의 궤도에 전자가 2개 이하로 할당되도록 원자 궤도 내에 이러한 전자의 분포를 요구합니다. 이 요구 사항은 원자의 특성과 궁극적으로 원자가 분자로 결합하는 데 지대한 영향을 미칩니다.[64]: 182

참고 항목

각주

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서지학

추가읽기

외부 링크

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