Dalton, Gay-Lussac, Avogadro에 의해 다듬어진 원자라는 개념은 상당히 매혹적? 이었기 때문에 많은 과학자들에 받아들여졌고, 원자란 어떤 것일까? 구체적으로 탐구하게 되었습니다. 그리고 여러 가지 원자들은 도대체 무엇이 다른가?라는 의문을 품었지요.
초기 실험은 영국의 물리학자 J. J. Thomson이 실험한 음극선관 실험입니다.(1898~1903년)
진공관에 (+) 극과 (-) 극을 설치하고 높은 전압을 걸어주면 (-) 극에서 음극선이 발생하는 데 이 음극선이 외부에서 걸어준 전기장의 (+) 극으로 휘어지는 것을 확인하여 해당 물질이 (-) 전하를 띄는 물질이라고 생각했습니다. 그리고 이것을 전자(electron)의 흐름이라고 생각했지요. 그래서 그는 전기장에서 휘어지는 정도를 계산하여 전자의 전하/질량비를 구했습니다.
$$\frac{e}{m}=-1.76\times 10^8C/g$$
Thomson은 다양한 금속 전극으로부터 전자가 나오는 것을 확인해서 모든 원자에는 전자가 있다고 가정을 했습니다.
그리고 그는 원자 안에 전자가 어떻게 있을까?를 고민했는 데요. 그의 모델은 바로 '푸딩' 모형이었습니다.
이후 1909년 미국 Chicago 대학의 Robert Millikan(1868~1953)이 대전된 기름방울을 이용하여 매우? 정교한 실험을 수행하여 전자의 전하량을 구했습니다. 실험 방법은 기름방울을 분사하고 (+)와 (-)로 대전된 구멍에 떨어뜨리게 한 다음 X-선을 조사하여 기름방울을 대전되게 하고 대전된 기름방울이 받는 중력과 전기장에 의한 힘을 면밀히 분석하여 기름방울의 운동을 분석하여 전하량이 일정 값의 정수 배임을 확인한 것입니다. 그 후 Thomson의 전하/질량비를 통해 전자의 질량도 구할 수 있었습니다.
또한 과학자들은 일부 원소에서 높은 에너지의 방사(radiation)가 일어나는 것을 발견했습니다. 이러한 방사능은 20세기에 이르러 감마선, 베타 입자, 알파 입자로 구분했는데, 최종적으로 감마선은 전자기파, 베타 입자는 전자, 알파 입자는 He2+임이 밝혀졌지요.
그리고 1911년, Ernesst Rutherford는 방사능 연구 실험에서 알파 입자 빔을 얇은 금속 박막 판에 조사를 했습니다. 위의 Thomson의 '푸딩' 모형의 원자가 맞다면 알파 입자 빔은 그대로 박막을 통과할 거라 예상했습니다. 그러나 실험에서는 대부분의 알파 입자 빔이 똑바로 관통했지만 일부는 거의 정면충돌한 것과 같은 수준으로 경로의 반대 스크린에 발견되었습니다. 이것은 원자가 '푸딩' 모형이 아니라 중심에 대부분의 질량과 (+)가 모여있고 그 주의에 (-)를 가진 전자가 있다는 것을 의미했습니다. 그리하여 훗날 대부분의 질량을 가진 중심의 (+)를 핵(nucleus)라 명명했습니다.
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