[도전! 양자역학] 3화, 원자 모형의 역사
우리들이 많이 보는 원자 모형
Image Credit : Wikimedia Commons
처음엔 원자라는 게 있는지 몰랐고
원자가 밝혀진 다음엔
딱딱한 무언가일 거라 생각했다.
1897년 J.J.톰슨은
원자 속에 전자가 있다는 사실을 알아낸 다음엔
건포도 빵과 같은 모습을 상상했다.
엥? 건포도 빵?
수박이 좀 더 비슷한데.
수박 모형이라 하자.
양전기를 띄는 수박 덩어리 속에
음전기를 띄는 전자가
씨처럼 박혀 있을 거라 생각했다.
그런데 러더퍼드는
양전기가 퍼져 있는 게 아니라
아주 작은 한 곳에 뭉쳐 있다는 걸
실험으로 입증했다.
Image Credit : Wikimedia Commons
텅 비어 있는 원자
사실 이 모형은
일본의 일본의 물리학자인
나가오카 한타로가 1903년에 제안했지만
근거가 없어 까인 거였어.
나가오카 한타로, Image Credit : Wikimedia Commons
이런 모형에서는
전자가 점점 에너지를 잃고
결국 양성자로 떨어져야 한다는 거지.
잃은 에너지가 빛으로 방출되어야 하고.
그런데 이런 일이 일어나지는 않거든.
러더퍼드의 모형 역시 똑같은 문제를 안고 있지만
그의 실험은 원자가 텅 비어 있다고 말하고 있었다.
러더퍼드 : 원자가 실제로 텅 비어 있는 걸
어쩌라고. 이유는 니들이 찾아.
난 실험물리학자
러더퍼드의 원자 모형은
처음에는 크게 주목 받지 못했지만
닐스 보어(나중에 아인슈타인과 맞짱 떠서 이기는
과학자)가 이 모형을 이용해 전자의 궤도를 만들어
원자의 스펙트럼을 설명하면서
대표적인 원자 모형이 된다.
러더퍼드 : 고마워, 보어.
원자 하나가 마치 태양계처럼 보인다.
그 작은 세계가 그토록 거대한 태양계를 닮았다니
신기하지 않아?
혹시 알아?
우리의 태양계도 아주 큰 세계에서는
원자 하나에 지나지 않을지.
이런 상상들도 많이 하잖아.
맨인블랙 보면 줌-아웃되며
지구가 나오고 태양계가 나오고
은하계가 나오고...
그게 고양이 목에 걸린 방울이 되잖아.
그런데 이들 대표적인 모형은
이해를 돕기 위해 지금도 사용하는 것일 뿐
실제 원자의 모습은 이와는 전혀 다르다.
전자가 행성처럼 궤도를 도는 모습이 아니라
선풍기 날개처럼 모든 곳을
빈틈 없이 채우고 있는 모습이다.
원자 모형, Image Credit : chem.libretexts.org
더 놀라운 사실은 (믿을 수 없는 사실은)
전자들이 실제로 이 모든 곳에 있다는 점이다.
적어 놓고도 무슨 말인지?
읽고 잘못된 내용이 있으면 알려주시는 분에게는 tipU :)
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yoon님의 과학글이 점점 더 늘어가는군요 ^^
오늘도 잘 보고갑니다. 어렵긴해요 ㅋㅋ
프로그램보다 어렵진 않을 겁니다! ㅎㅎ
'모든 곳에 전자가 있다'라기 보다는
모든 곳에 전자가 있을 확률이 있다 아닐까요?ㅎㅎ
보어의 원자 모형은 수소에만 잘 맞고 나머지 원소에는 스펙트럼에 영향을 주는 원인이 있기 때문에 전자구름 모형으로 수정이 되었죠. 이부분도 잘 설명해주실거라 믿고 요기까지...
@chromium님 표현이 보다 정확합니다만, 임팩트를 주기 위해 '모든 곳에 있다'고 표현했습니다. 조금 부정확한 표현입니다만 어떤 의미인지 전달은 가능하리라 보았습니다. ^^ 스펙트럼과 관련해서는 좀머펠트와 파울리를 살짝 언급하는 정도만 나올 예정입니다. 나머지는 @chromium 님께 부탁드리면 안될까요? ㅎㅎ tip!
ㅎㅎ @hunhani 님과 @beoped 님께 설명의 공을 돌립니다~ 핳핳 저는 물 연구하는 사람입니다
도망Hi @chromium! You have just received 0.3 SBD tip from @yoon!
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음... 어려운 글은 닥치고 보팅 ㅡ.ㅡb
ㅎㅎ 감사합니다 :)
이제 오비탈에 대한 이야기가 나오려나요? ㅋㅋㅋ
양자역학을 통한 보어의 모형의 가장 큰 이론적 문제점은[결국에 보면] Uncertainty principle 이었죠. 후에 이런 문제점에 전자구름인 오비탈 개념이 등장했죠.
실험적으로 보어의 모형은 수소 이외의, 전자가 2개 이상의 원자에 대한 선 스펙트럼을 설명할 수 없었습니다. 여기에 uncertainty principle 이 겹쳐 cloud 개념이 생겨나게 됬죠. 그 뒤로는 이 cloud 의 모양이 어떻게 결정되냐에 따라 오비탈 개념이 생겨놨습니다. 원자와 분자의 결합구조에 관심이 있던 물리학자와 화학자들은 이후 이 이론을 발전시키죠 [대표적으로 혼성 오비탈에 대한 획기적인 이론을 낸 사람으로 라이너스 폴링이 있습니다. ]
반면에 입자적 개념에 관심이 많았던 학자들은 하나의 입자라고 생각했던 핵을 중성자와 양성자로 쪼개고 그 중성자와 양성자를 퀴크들로 쪼개고 맙니다. 후에 핵의 내부구조에 대한 채드윅의 실험을 다루실려나요? ㅎㅎ 채드윅은 러더퍼드의 제자로도 잘 알려져 있죠. 아무튼 이런 입자적 개념에 입각한 학자들은 쿼크도 쪼개고 싶어하죠. 문제는 환원적 사고를 통해 입자를 깨면 또 입자가 나오는 것에 대해 회의를 느끼는 사람들이 생겨났고 여기서 입자가 아닌 다른 것이 근본일 것이다 하는 이론들이 튀어 나오게 됩니다. 대표적으로 끈이론이 있죠.
오비탈은 나중에 화학쪽에서 다루고 싶습니다. ㅠ 지금은 양자역학 이중슬릿 실험으로 바로 들어가려고 합니다. ㅎㅎ 댓글만 읽어도 공부가 되어 너무 좋습니다. tip! 1
Hi @beoped! You have just received 1.0 SBD tip from @yoon!
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기존이론들이 상반된 실험결과에 많이들 파괴되곤했죠. 우리들은 이론에 실험결과를 맞추지만요 ㅠㅠ
앞으로도 관측으로 무너지는 이론들이 또 탄생하겠죠? 기대됩니다. ㅎㅎ
모든곳에 전자가 있다...그래서 구름이라고 표현했을것 같습니다 :)
옛기억이~ㅎㅎ
지금은 전 에너지라는 개념으로 이해하고 있습니다 ㅎㅎ
오호 그렇게 이해할 수도 있군요! 감사합니다.
학교화학시간에 배웠던 걸 쉽게 풀이해주시네요ㅎㅎ
ㅎㅎ 잘 기억하고 계신가 봅니다.
허걱 어렵지만 보팅~! ㅋㄷ
감사합니다 :)
오늘은 조금 더 복잡한 신비로운 이야기로군용 ^^ㅎㅎ 하아...''
무척 신비롭습니다. ㅎㅎ
윤님의 글도 어마어마하지만, 리플에도 지식인들이
바글바글해서 놀랬어요 :)
저도 댓글보고 움찔 합니다. ㅎㅎ