5. 양자역학? 양자가 뭐야? - 3) 원자 모형에 대하여

안녕하세요 반연입니다.

오늘은 원자 모형에 대해 알아봅시다.

 

 이 포스팅을 보고 계시는 모든 분들은 중학교 과학시간에 원자 모형에 대해 공부한 적이 있을건데요(기억이 안나신다고요? 분명 배웠을 거에요.. 기억이 안날 뿐..)

아래 내용부터는 밑에 있는 그림을 한번씩 참고하면서 읽으면 이해가 편하실 거에요! 

돌턴의 원자모형

 1808년 돌턴이 처음으로 원자 모형을 제안했는데요, 돌턴은 모든 화학원소는 변하지 않고 파괴할 수 없는 한 종류의 원소들로 구성되고 그것들이 결합하여 더 복잡한 화합물을 만든다고 주장했고 그것이 최초의 원자 모형이 되었습니다. 

아래 그림에서 보시는 것과 같이 아주 작은 돌맹이처럼 원자를 표현했죠? 저런 것들이 뭉쳐서 물질을 만든다고 생각한겁니다. 돌턴이 원자모형을 생각해 내는데 도움을 준 법칙이 있었으니, 첫째는 1779년 라부아지에가 만든 질량 보존의 법칙, 둘 째는 1799년 프루스트의 일정 성분비의 법칙이었습니다. 돌턴의 원자 모형은 웬만한 화학원소에 맞았지만 돌턴이 간과한 것이 한가지 있는데 그것은 바로~ 분자의 존재를 몰랐던 것입니다. 

분자는 원자 두개가 같이 있는 형태를 생각 하시면 되는데요 H 원자의 분자는 H2 O원자의 분자는 O2

따라서 이후 1811년 아보가드로가 분자설을 제안하면서 아보가드로 수가 정의되죠..(고등학교때 저를 정말 힘들게 한 수 입니다..) 자세한 내용은 글의 취지와 맞지 않으니 다시 원자모형으로 넘어가 보죠

톰슨의 원자모형

 이후에 시간이 쭉~~ 흐릅니다. 1897년 톰슨이 음극선에 대한 실험을 했는데요.

이 실험을 통해 음전하를 띈 미립자를 발견하게 되고 이것이 이후에 전자라고 불리우게 되죠.

그리고 원자에 전자가 있어야하니 이를 건포도 빵에 건포도가 박혀있는 것처럼(푸딩모형) 원자모형을 만들게 돼요. 이것이 바로  두번 째 원자 모형이 됩니다. 

러더퍼드의 원자모형

 다음으로 톰슨의 제자였던 러더퍼드가 스승인 톰슨의 원자모형을 증명하기 위해 금박 실험을 진행하게 되는데.. 

톰슨의 푸딩모형으로는 해석되지 않는 현상을 발견하게 되죠. 러더퍼드는 알파입자라는 것을 원자에 쏘아서 산란되는 입자를 기록하기위해 금박 실험을 하였는데요. 예상과 다르게 원자의 중심부분에 쏠때 알파입자가 크게 휘는 것을 확인하게 됩니다. 그리고 생각하죠. 스승님 알고보니 ㅈ..... 가 아니라 원자의 가운데에는 아주 커대한 양전하가 존재한다. 라구요. 그래서 새로운 모델을 만들게 됩니다. 행성 모델이죠. 거의 현재의 모델에 다왔습니다!! 그런데 문제가 발생해요. 왜냐하면 당시에 확립된 고전역학, 그리고 그중에서도 맥스웰의 전자기학에 따르면 회전하는 대상은 전자기파를 발생하며, 발생된 빛과 함께 대상이 지니고 있는 에너지는 손실된다. 는 것인데요. 쉽게 이야기해보면 에너지를 잃지 않고 무한정 원운동을 하는 전자는 있을 수 없다는 것이에요. 사실 우리가 사는 세상에서는 이것이 당연하죠. 무한동력이란 것은 존재하지 않잖아요. 그래서 그의 제자였던 보어가 등장합니다. 두두둥장!!

 

원자모형의 변화 (출처: 에듀넷)

보어의 원자모형

 보어의 원자모델은 현재 모형과 거의 근접하며, 현대물리학, 양자역학, 반도체공학 등 다양한 분야에서 사용되는 개념이니 좀 자세히 알아볼게요! 

 

bohr model(보어 모델)은 shell model이라고 합니다. 좀 어려워 질수 있으니 집중해주세요!! 원서로 공부하시는 분들에게 도움이 될 수 있게 단어 선택을 최대한 영어로 했습니다~

 

 원자의 질량은 proton(양성자)과 neutron(중성자)을 가지는 nucleus(원자핵)에 집중되어 있으며 proton은 양성 particle, neutron은 중성 particle이며 둘은 같은 질량을 갖아요. 이는 앞에 러더퍼드가 밝혀낸 사실이죠. 비록 proton 사이에는 coulombic repulsion(쿨롱 반발력)이 존재하지만, 모든 양성자와 중성자는 strong force(강력)에 의해 nucleus 안에 잡혀있게 된다. (강력은 particle 사이의 강하고 근본적인 자연계 힘인것 아시죠? 자연계의 4대 힘중 하나에요 나머지 3개는 뭘까요? 제가 예전에 포스팅했던 기억이 있는데 찾아보면서 배우는 것이니 인터넷에 찾아보세요!!) 강력은 매우 작은 거리에서만 영향을 줄 수 있으며 그 길이는 대략 10-15m 정도이죠. 중성자와 양성자가 서로 매우 가까워지게 되면, 강력은 전기적 반발력을 무시하고 중성자와 양성자를 붙잡아 둘 수 있게 되는데요 이때, nucleus 내부의 proton의 수를 원소의 atomic number Z라 정의합니다. 이것이 주기율표에서 흔히 외우는 원소번호에요~ (i.e. H의 Z=1, Si의 Z=14 …)

 

 Electon(전자)는 일반적으로 nucleus 주변을 nucleus 크기에 비해 상당히 먼 거리에서 회전하는 것으로 생각할 수 있는데 이러한 것을 전자가 궤도에 있다고 합니다. 궤도를 돌고 있는 전자의 수는 nucleus 내부의 proton의 수와 같습니다. 즉, 앞서 예시를 들었던 H의 경우 proton이 1개이기 때문에 electron도 1개, Si의 경우 proton이 14개 이기 때문에 electron도 14개가 nucleus 주변을 돌고 있는 거죠. 뒤에 내용을 계속 진행하기 위해 보어 모델은 어떤 가정을 세웠는지 알아볼게요.

 

보어의 가설

1.     Electron은 nucleus에 대한 어떠한 안정적이고 원형의 궤도 안에 존재한다. 이 가정은 궤도를 돌고있는 electron은

       radiation을 내지 않고 가속 하지도 않으며, 따라서 고전역학에서처럼 궤도 운동을 하다가 에너지를 잃어버리고 핵

       으로 빨려 들어가지 않는다.

2.     Electron은 자신의 에너지를 잃고 얻음에 따라 높은 에너지 궤도, 낮은 에너지 궤도로 궤도를 바꿀 수 있다.

       이 때의 에너지 차이는 E = hv 이다.

3.     궤도 안에서의 electron의 각운동량은 플랑크 상수를 2파이로 나눈 값의 정수 배이다.

 

 사실 보어의 원자모형은 스승이었던 러더퍼드의 원자모형과 큰 차이를 보이진 않아요. 하지만 보어가 유명해진 이유는 공격당해서 너덜너덜해진 스승님의 원자모형을 이론적인 가설로 지탱했다는 겁니다. 

 즉, 보어의 가설과 모델이 혁명적이었던 이유는 원자의 구조에 대한 연구에서 기존 고전역학에서는 절대로 해석할 수 없는 것들 것 가설을 통해 해석한 데 있다고도 할 수 있어요. 

 

 다시 본론으로 돌아가서

 전자는 어떠한 양자화된 궤도를 돌고 있다고 생각할 수 있죠. 또한 전자가 있는 위치를 특정할 수 없기 때문에 현대 원자모형에서는 이를 구름(cloud)로 표현합니다. 즉, 전자 구름이 원자핵 주변에 있다고 할 수 있죠.

원자핵과 전자구름, https://www.thoughtco.com/definition-of-electron-cloud-604439

 둥근 구형으로 전자구름이 분포한다는 것은 전자의 위치를 특정 지을 수 없기 때문에 확률적으로 표현한 것을 시각화 한 것이라고 생각하면 되는데요, 이러한 형태 외에도 각각의 p,d,f orbital 에 따른 전자 구름의 형태도 인터넷에 많이 있으니 한 번 씩 찾아보시길 바랍니다. 

 그렇다면 왜 전자의 위치를 특정 지을 수 없을까? 에 대한 답변은 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 따릅니다. 제가 이전 포스팅에서 한 번 다룬 적이 있는 내용이기 때문에 간략하게만 말씀드리자면, position(위치)와 momentum(운동량)중 하나를 측정하면 다른하나가 변하고 마찬가지로 enery(에너지)와 time(시간)중 하나를 측정할 때 다른한 변수가 변해 두 가지를 동시에 측정할 수 없다는 개념입니다. (이 부분이 좀 더 자세히 알고 싶으신 분은 양자역학이나 현대 물리학 서적을 참고해보세요)

 

자. 그럼 이제 돌턴의 원자모형부터 현대의 전자구름 원자모형까지 모든 원자모형에 대해 알아 봤는데요. 사실 그 사이사이에 다양한 원자모형이 제안되어져 왔습니다. 그것을 다 다룰 필요가 없기 때문에 다루진 않았지만, 하나만 기억해주세요.

 

현대물리학, 양자역학, 반도체 공학, 재료공학 등...을 공부할 때 이놈의 모형... 그리고 원자들의 배열이 우리를 수도 없이 괴롭히게 될겁니다..

여러분 모두 화이팅..