원자모형 그 원천과 구체적인 개념들 총정리

우리가 가장 잘 알고 있는 모형은 원자핵 주변은 전자가 빙글빙글 도는 보어의 원자모형일 것이다. 하지만 실제로 원자모형은 보어의 원자모형뿐만 아니라 현대적 원자모형, 러더퍼드의 모형 등 굉장히 종류가 다양하다. 오늘 이 원자모형에 대해 정리해보자.

 

원자모형의 태동

가장 먼저 원자모형을 제시한 인물은 과학자 돌턴이다. 돌턴은 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 기본단위로서 원자를 정의하였다. 돌턴에 의하면 원자는 아무리 별 짓을 다 해도 결국 쪼갤 수 없는 최소한의 공 모양처럼 생긴 그것이 바로 원자라고 하였는데, 이는 더 과거의 과학자인 데모크리토스의 원자와 관련된 생각에 입각한 것으로 보인다. 이때 돌턴의 원자설의 중요한 특징은 원자를 구체적으로 원자핵이나 양자, 전자 이런 개념 없이 그냥 하나의 구체 그 자체로서 보았다는 점이다. 원자는 원자일 뿐, 그 안에 무엇이 존재한다는 개념을 아직은 생각해 내지 못한 것이다. 

 

원자모형의 발전

  1. 톰슨의 원자모형

이후 톰슨이라는 과학자는 돌턴의 원자모형에서 한 단계 진화시킨 자신만의 모형을 만들어 내었다. 이는 원자가 그냥 하나의 구체라고 생각한 돌턴과 달리, 양성자와 음성자의 개념을 도입하여 원자 체계를 설정한 것이다. 구체적인 양상은 양성자(+)가 골고루 퍼져있고 전자가 원자 내부에 마치 빵에 박혀있는 건포도처럼 쏙쏙 박혀있다. 이런 돌턴의 원자모형을 비유적으로 건포도빵 모형이라고도 부른다.

 

  2. 러더퍼드의 원자모형

러더퍼더는 자신의 스승님(러더퍼드는 톰슨의 제자임)이 만든 원자모형이 실제로 실험적으로 맞는지 확인하기 위하여 자신만의 실험을 고안하여 내었다. 그것은 매우 얇은 금속박을 두고 그 금속박에 알파 입자를 쏴주는 실험이었다. 그리고 그 금속박 주변에 동그랗게 알파 입자가 튀어나오는 것을 관측할 수 있는 판때기를 놔두었다. 자신의 스승님의 이론이 맞다고 생각하고 스승님의 이론을 확정 짓기 위해 했던 실험이었지만 어이없게도 자신의 스승님의 이론이 틀렸음을 증명한 실험이 되어 버렸다. 그 이유는 만약 스승님의 이론대로라면 중간중간에 아주 적은 경우의 수로 알파 입자가 튕겨져 나오면 안 되기 때문이다. 근대 튕겨 나오는 것이다! 튕겨 나온다는 것은 스승님의 이론처럼 양성자가 골고루 퍼져있으면 절대로 성립되지 않아야 된다. 따라서 러더퍼드는 이 실험을 통해 스승님의 말씀대로 양성자가 골고루 퍼져있는 것이 아니라 양성자가 한 부분에 집중되어 존재함을 밝혀 내었다. 이를 통해 자신만의 원자모형을 만들어 내었고, 이 원자모형은 원자핵이 딱 원자 중심에 가만히 있는 상태로 전자들이 그 원자핵을 무작위 한 궤도로 돌고 있는 형태로 나타나게 된다. 

러더퍼드의 실험

 

  3. 보어의 원자모형

보어는 또 자신의 스승인(러더퍼드)의 원자모형이 잘못된 점을 지적하며 자신만의 원자모형을 만들어 내게 된다. 러더퍼드의 이론에 의하면 전자가 양성자 주변을 돌 때, 전자는 전자기학적 법칙(원운 동시 전자는 전자기파를 방출해내며 이 때문에 점점 원운동의 속도가 낮아짐)에 의해 전자기파를 방출하며 자신의 에너지를 잃어버리게 되면서 점점 양성자 쪽으로 끌려들어가 결국 양성자와 딱 붙어버리게 되는 상황이 되게 된다. 보어는 이러한 한계점을 타파하기 위해 자신만의 새로운 이론인 특정한 "정상상태"개념을 탄생시킨다. 정상상태란 전자가 특정 궤도에서만 운동하며 이 특정궤도상에서는 전자기학의 개념인 원운동시 전자기파 발생이라는 그 현상이 일어나지 않는 궤도를 정상상태라고 한다. 이러한 상태를 만들어내어 결국 양성자 주변에서 정상상태의 특별한 궤도를 가지며 운동하는 전자를 표현하는 자신만의 원자모형을 보어는 만들어내게 된다.

 

   4.  현대적 원자모형

현대에 들어오면서 양자역학이라는 역학 체계가 탄생하게 되고 전자의 존재론에 대해 다시금 생각하게 하면서 전자가 보어의 생각처럼 양성자를 빙글뺑글 돌고 있는 게 아니라 확률로서 원자핵 주변에 분포하고 있다는 현대적 원자모형이 등장하게 된다. 전자는 확률로서 양성자 주변에 존재하는거지 보어의 모형처럼 딱 궤도를 지키면서 빙글뱅글 돌고 있는게 아니라는 것이다. 

현대적 원자모형

 

이렇게 총 5단계에 걸친 원자모형의 변천사와 그 개념에 대해 간략히 살펴보았다. 어떤 식으로 원자모형이 변화해 왔는지 잘 알고 있다면 훨씬 양자역학이나, 원자와 관련된 공부를 할 때 많은 도움이 될 것이다.