작은 우주 - 원자
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part 01. 원자모형의 변천사
원자(原子, atom)는 화학 반응을 통해 더 이상 쪼갤 수 없는 단위를 일컫는 말로, 기원전 5-6세기 그리스의 철학자 데모크리토스가 ‘물체는 매우 작은 입자로 구성되어 있다’라는 말과 함께 처음 사용했습니다. 이후 1803년 돌턴(John Dalton, 1766-1844)은 더 이상 쪼갤 수 없는 단단한 입자를 원자라고 이야기하며 최초로 원자모형을 제시 했습니다. 이러한 이론은 우리가 중·고등학교 때 배운 질량보존의 법칙, 일정 성분비의 법칙, 배수 비례의 법칙을 증명하는 과정에서 나타났습니다. 하지만 원자보다 더 작은 입자가 발견되면서 돌턴의 원자이론에 오류가 발생하게 됩니다. 돌턴 이후의 원자모형의 변천사에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1897년 영국의 과학자 톰슨은 음극선 실험을 통해 (-)전하를 가진 입자인 전자를 발견하였습니다. 톰슨은 전자가 원자를 이루고 있다고 생각했지만, 당시 원자는 전기적으로 중성이라고 인식되었습니다. 원자가 중성을 띠기 위해서 톰슨은 (+)전하를 갖는 물질 속에 전하량이 동일한 전자들이 균일하게 분포되어야 한다고 생각했습니다. 그리고 1904년 톰슨은 (+)전하를 띠는 푸딩 안에 전자가 건포도처럼 박혀있는 '건포도 푸딩' 원자모형을 제시하였습니다. 톰슨의 원자모형은 원자 내부에 전기적으로 음성을 띤 부분과 양성을 띤 부분을 구분하여 원자에서 나타나는 전기적 성질을 일부 설명할 수 있는 발전된 원자론을 보여주었습니다.
J.J.Thomson M.A. F.R.S., "Cathode Rays," Philosophical Magazine Series 5, vol. 44, no. 269, pp.294-316, 1897.J.J. Thomson F.R.S., “On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure,” Philosophical Magazine Series 6, vol. 7, n. 39, pp.237-265, 1904.
톰슨의 제자였던 러더퍼드는 스승의 이론을 증명하기 위해 α입자((+)전하를 띠는 입자로 후에 헬륨의 원자핵(He2+)으로 밝혀짐) 산란 실험을 진행했습니다. 톰슨의 건포도 푸딩 모형대로라면 α입자는 빠른 속도로 얇은 금박에 충돌했을 때 모두 직선으로 금박을 통과해야 합니다. 하지만 예상과 달리 일부 α입자는 큰 각도로 산란되거나 반사되어 되돌아 왔습니다. 이 실험 결과로 러더퍼드는 (+)전하가 원자 내부의 작은 공간에 모여 핵을 이룬다고 생각하였고, 이 원자핵 주변을 전자들이 행성처럼 도는 ‘러더퍼드 모형’을 제시하였습니다.
러더퍼드 α입자 산란 실험(이미지 출처: 천재학습백과, “원자책의 발견,“ http://koc.chunjae.co.kr/Dic/dicDetail.do?idx=11469, (2018.02.21.))
J. B. Birks, "Rutherford at Manchester," New York, USA : W.A. Benjamin. 1963. pp.70 [KAIST 소장]
하지만 러더퍼드 모형은 수소원자에서 선 스펙트럼이 방출되는 이유를 설명하지 못했으며, 러더퍼드의 이론대로 전자가 원자핵 주위를 도는 원운동을 하면 전자기파의 방출로 에너지를 잃고 원자핵으로 끌려갈 수 있다는 문제점이 있었습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제시된 보어 모형은 원자 내부의 전자는 특정한 에너지를 갖는 궤도를 돌며, 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다고 설명하고 있습니다. 또한 전자가 에너지 준위가 낮은 궤도에서 높은 궤도로 이동하면 에너지를 흡수하고, 반대의 경우는 에너지를 방출한다고 하였습니다. 러더퍼드의 원자모형(고전 원자론)과 막스 플랑크의 양자설(현대 양자론)을 바탕으로 1913년 보어의 새로운 원자모형이 탄생하였습니다.Youtube, “Standing waves in Bohr’s atomic model,” https://www.youtube.com/watch?v=_NFuGuVlyKc, (2018.2.21.)
John L. Heilbron, “History: The path to the quantum atom,” Nature, vol.498, pp.27-30, 2013.Science, http://www.sciencemag.org/content/341/6143/244/suppl/DC1 ,(2018.2.21.) -
part 02. 보어의 원자모형 탄생 이야기
수소의 전자 전이와 파장
(이미지 출처 : wikimedia,“Hydrogen transitions.svg,”https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_transitions.svg , (2018.2.21.))
최근 몇 년 사이에 전국에서 불꽃축제가 많이 열리고 있습니다. 까만 밤하늘을 아름답게 수놓는 불꽃. 그림처럼 아름답습니다.
우리가 보는 불꽃은 특정 원소를 태울 때 방출되는 에너지의 크기에 따라 나타나는 색입니다. 이러한 색은 원소를 태우는 것 이외에도 분광기를 사용하여 볼 수 있습니다. 분광기를 통해서 보는 원소의 색은 특정 파장을 가진 광자들이 모여 선으로 색이 나타나는 것이며, 광자의 양에 따라 진하기 정도가 다릅니다.
보어의 원자모형은 분광기에서 관찰된 수소 원자의 선 스펙트럼을 해석하는 과정에서 탄생했습니다. 수소 선 스펙트럼의 시작점에서 부터 보어의 원자모형 탄생 이야기를 해보겠습니다.
1860년대부터 분광기를 통한 원자의 방출 스펙트럼 연구가 활발하게 일어났습니다. 1885년 발머는 수소원자의 방출선 6개 중 4개(빨강, 초록, 파랑, 보라)의 가시광선 영역에 대한 규칙성을 발견하고, 가시광선과 일부 자외선 영역에서의 수소원자의 선 스펙트럼을 발머 계열(Balmer series) 또는 발머 선(Balmer lines)이라고 했습니다. 발머 계열은 원자 구조에 대한 이해를 크게 진전시켰으며, 훗날 보어의 원자모형에도 큰 영향을 주게 됩니다.
J. J. Balmer, "Notiz über die Spectrallinien des Wasserstoffs," Annalen der Physik, vol.261, no.5, pp.80-87, 1885.
J. J. Balmer, "Eine neue Formal fÜr Spectralwellen," Annalen der Physik, vol.296, no.2, pp.380-391, 1897.
가시광선 영역의 발머 계열에 이어 다른 영역에서의 수소 원자 선 스펙트럼들도 발견되었습니다. 그 중 자외선 영역의 스펙트럼 계열을 ‘라이먼 계열(Lyman series)’, 적외선 영역의 스펙트럼 계열을 ‘파셴 계열(Paschen series)’이라고 합니다.
Lyman. Theodore, "The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave-Length," Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences, vol.13, no.3. pp.125-146, 1906.
F. Paschen, "Zur Kenntnis ultraroter Linienspektra. I. (Normalwellenlängen bis 27000 Å.-E.)," Annalen der Physik, vol.332, no.13, pp.537–570, 1908.
보어의 원자모형은 위에서 언급한 발머 계열, 라이먼 계열, 파셴 계열의 영향을 받아 탄생했습니다. 어느 날 동료 물리학자가 보어에게 발머 계열에 대한 설명을 부탁하자 보어는 쉽게 설명하는 방법을 고민하다 플랑크의 에너지 양자 개념을 적용하여 수소 원자의 방출 선 스펙트럼을 명확하게 설명하였습니다.
이를 바탕으로 보어는 낮은 에너지에서 높은 에너지로의 불연속적인(discontinuous) 변화를 전자의 관점에서 설명하고 자신의 원자 모형을 제안하였습니다. 보어의 이론에 근거해 1992년, 원자의 전자배치에 따라 지금 우리가 배우고 있는 모양과 비슷한 주기율표가 탄생하게 됩니다.
A. K. Rappe, C. J. Casewit, K. S. Colwell, W. A. Goddard III, and W. M. Skiff, “UFF, a Full Periodic Table Force Field for Molecular Mechanics and Molecular Dynamics Simulations,” J. Am. Chem. Soc., vol.114, no.25, pp.10024–10035, 1992.
보어는 1913년 총 3개의 논문을 통해 원자모형에 대한 이론을 정리하였습니다. 1부는 불연속적인 방출선스펙트럼, 2부는 원자의 형성과 주기율을 설명하기 위한 전자 배치, 3부는 전자를 공유하는 분자의 형성에 대한 이론을 설명하였습니다.
원자의 형성과 주기율을 설명하기 위한 전자 배치 (하나의 핵을 포함하는 계)
N. Bohr, "On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II Systems Containing Only a Single Nucleus," Philosophical Magazine, vol.26, no.153. pp.1-26, 1913.
전자를 공유하는 분자의 형성에 대한 이론 (여러 개의 핵을 포함하는 계)
N. Bohr, "On the Constitution of Atoms and Molecules, Part III Systems containing several nuclei," Philosophical Magazine, vol.26, no.155, pp.857-875, 1913.
D-Curation, “주기율표,” http://curation.dgist.ac.kr/curation/w/537, (2018.2.21.)