[원자의 구조와 주기성] 원자의 구조에 대한 현대의 실험들 - 1부

원자를 구성하는 입자에 대한 실험들

원자는 더 이상 쪼개지지 않는 기본 입자라는 돌턴의 근대적인 원자설조차도 19세기의 여러 가지 실험 사실들에 의하여 도전받게 되었다. 톰슨(J. J. Thomson; 1856-1940)은 그림 1에 나타낸 것처럼 진공속의 음극선에 전기장을 가하는 실험 결과를 분석하여 음극선을 이루는 입자들이 음의 전하를 가진다는 사실과 함께 그 입자의 질량/전하의 비율을 결정하였는데, 그 값이 그 당시까지 알려졌던 가장 가벼운 원소인 수소의 질량/전하 비율보다 훨씬 더 작다는 사실(수소원자 경우의 약 1800분의 일에 해당)을 규명하였다.

즉 음극선은 음의 전하를 띤 입자, 즉 전자(Electron)라는 것의 흐름이라는 것을 입증하였다. 이것은 원자가 더 이상 가장 작은 입자가 아니라는 것을 의미한다. 전자의 발견은 중성인 원자의 특성에 따라 필연적으로 양의 전하를 띈 원자의 구성 성분이 존재한다는 것을 의미한다.

그림 1. 전기장에 의하여 음극선의 흐름이 굴절되는 실험.

또 한편 베크렐(Henri Becquerel)은 우라늄이 알파, 베타, 감마선을 방출하는 원자핵 붕괴 현상을 1896년 발견하였는데, 이것은 원자가 스스로 쪼개지면서 전하가 +2이며 질량은 전자보다 약 7300배 무거운 입자의 흐름인 알파선, 전자의 흐름에 해당하는 베타선, 그리고 강한 에너지의 복사선인 감마선을 방출하는 것으로 설명되었다. 즉 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 물질의 단위라는 개념은 더 이상 받아들이기 어렵게 되었다.

톰슨의 원자모델

원자들 자체는 전기적으로 중성인 것이 알려져 있었기 때문에 음전하를 띈 아주 작은 전자의 발견은 원자의 내부에 양전하가 존재한다고 추론하게 만들었다. 그 당시 확립되었던 전자기학을 바탕으로 원자는 크기가 아주 작은 전자와 양전하 성분으로 이루어진 그림 2에 보이는 것과 같은 원자모델을 톰슨이 제안하였다.

이 원자 모델에 따르면 양전하가 원자 전체에 퍼져 있고, 그 사이 사이에 작은 전자들이 불규칙하게 분포하여 전기적 중성을 유지하는 푸딩모양이 된다.

그림 2. 톰슨이 제안한 푸딩 모양의 원자 모형.

[Chemistry/General Chemistry] - [원자의 구조와 주기성] 원자의 구조에 대한 현대의 실험들 - 2부