3. 핵원자(Nuclear Atom)모형의 정립

원자(Atom)는 가장 작은 구성요소가 아니었다.

과거 사람들이나 현재를 살아가는 사람들이나 당시의 과학수준은 생각보다 사람들의 사고에 많은 영향을 줍니다. 과거 사람들은 물질을 잘게 자르고 잘라서 가장 작은 단위로 자르면 원자라는 물질의 근본이 되는 입자가 될 것이라고 생각했습니다. 그러나 현재를 살고있는 대부분의 사람들은 원자는 결코 물질을 구성하는 가장 작은 단위가 아니라는 것을 잘 알고 있습니다. 

현재의 정립된 핵원자(Nuclear Atom) 원자모형에 따르면 원자는 아래 조건으로 세분화 할 수 있습니다.

1. 원자는 양성자, 중성자, 전자 세가지 *아원자입자(亞元子)^[각주:1]로 구성되어 있음.

2. 양성자와 중성자는 원자핵을 형성함.

3. 전자는 원자핵을 구름처럼 감싸고 있음.

*아원자입자의 특성

입자	기호	전하	질량(g)
양성자(Proton)	p	+1
중성자(Neutron)	n	0
전자(Electron)	e	-1

위 세가지는 이제는 누구나 아는 기본적인 원자의 형태로 알려져 있지만 이렇게 간단히 정리된 표의 내용을 알기위해서 정말 많은 시간과 노력들이 있어왔습니다. 지식들의 누적이 더 정확하고 많은 이해를 가져오고 이렇게 누적된 지식은 다른 분야로도 확장이 되어 사용됩니다. 원자모형은 크게 5가지 형태로 변해왔다고 알려져 있습니다. 

원자모형의 변화

1. 돌턴(Dalton) : 더이상 쪼갤 수 없는 공모양 원자

2. 톰슨(Thomson) : 전자가 건포도 처럼 박혀있는 푸딩 모양 원자

3. 러더포드(Rutherford) : 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 전자궤도모형 원자

4. 보어(Bohr) : 양자화된 전자궤도 모형 원자

5. 현재 핵원자모형 : 원자 주위를 전자가 구름처럼 분포하는 원자

돌턴이 처음 원자모형을 제안했을 때는 1803년으로 아직 전자에 대한 개념이 아직 정립되지 않았고 호박의 대전효과나 다른 전기적 효과들이 전자에 의해 일어난다는 사실도 아직 밝혀지지 않았습니다. 당시의 과학의 개념으로는 원자가 물질의 최소 단위이면 모든 이야기가 어색함 없이 맞게 풀리므로 이 후 1897년 톰슨의 음극선 실험을 통해 전자가 원자의 구성요소라는 것이 밝혀지기 전에는 원자모형으로 널리 받아들여지고 있었습니다.

톰슨은 원자의 내부 구조를 밝히기 위해 유명한 음극선 실험을 하게 되는데 음극선 실험에 대한 자료는 인터넷에 많이 있기 때문에 개념만 설명하자면 금속으로 만들어진 두개의 전극에 전압을 크게 걸어주면 전자가 튀어나오게 되는데 이 전자가 나아가는 방향에 다시 전압을 가해주는 두 금속 사이를 지나가게 하면 +극 쪽으로 전자가 휘어지는 현상을 발견하게 됩니다. 

그런데 금속의 종류와 상관없이 모두 같은 입자가 방출된다는 것을 확인하였고 따라서 원자는 전자가 박혀있는 구조라는 것을 알아내게 도비니다. 그래서 톰슨은 원자가 전자가 드문드문 박혀있는 푸딩 모양의 원자 모형을 제시하게됩니다.

그러나 1908년에 러더포드는 간단한 실험을 하게 되는데 알파입자라는 양극의 입자를 톰슨의 전자총 실험과 비슷하게 얇은 금속박에 쏘는 실험을 합니다. 이 실험과정에서 러더포드는 이상한 현상을 발견하는데 알파입자는 대부분 이 금속박을 뚫고 지나가서 반대편에서 검출되었지만 20,000개 중에 1개의 알파입자는 반대편에서 검출되지 못하고 다양한 각도로 꺾여져서 튕겨나간것 처럼 발견됩니다. 

러더포드는 원자가 사실상 거의 빈공간이며 원자입자에 부딛힌 알파입자는 튕겨져 나오는 것이라 생각 할 수 있었습니다.  그래서 알파입자를 튀어나오게 할만큼 단단하고 작은 이 입자를 원자핵(Atomic Nucleus)이라 불렀고, 양극 성질을 지닌 알파입자를 밀어냈으므로 이 원자핵이 양의 성질을 지닌 다는 사실을 알아내었습니다. 그렇게 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 전자궤도의 원자모형을 제시하게 됩니다.

그러나 보어가 1913년에 다시 또 새롭게 전자가 항상 양자화된 에너지를 갖는 다는 것을 발견하게 됩니다. 양자화되었다는 뜻은 에너지가 연속적이지 않다는 뜻입니다. 쉽게 이해를 돕자면 1과 10사이에는 2, 3, 4 등의 자연수가 존재한다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 이 자연수가 되기 위해서는 1.1, 1.102, 1.100092 등의 작은 단위의 실수들이 무한대로 많이 존재하여 1과 2사이를 채우고 있다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 것을 우리는 연속적이라고 표현하는데 러더포드의 원자모형까지는 전자들의 운동이 규칙적이지 않고 아무렇게나 움직여서 에너지를 연속적으로 갖는다고 생각했습니다.

그러나 보어는 전자의 에너지가 항상 1이면 1, 5면 5 항상 특정 에너지만 가지고 1과 5사이에는 그 어떤 에너지 상태도 가지지 못한다는 것을 수소의 스펙트럼을 통하여 밝혀냅니다. 수소의 전자는 특정 에너지를 받으면 높은에너지로 도약했다가 다시 낮아지면서 빛을 발생시킨다는 것을 발견하였고 이 빛의 에너지를 계산 함으로써 전자가 가지는 에너지들을 알아낼 수 있었습니다.

그러나 보어의 모형은 수소에 한정하여 잘 맞았고 원자번호가 커질 수록 잘 맞지 않게 됩니다. 이 즈음 해서 양자역학(Quantum Mechanics)이라는 새로운 개념의 학문이 제시되면서 원자의 상태를 확률적인 구름 형태로 표현이 가능해지고 실험결과와 예측을 모두 성공적으로 이루어 내면서 양자역학이 현재의 원자 모형을 설명하는데 가장 적합한 모형으로 굳어지게 됩니다.

<사진1. 원자모형의 변천사>

1. 원자보다 작은 입자 [본문으로]