원자 물리학의 역사에 대해

원자 물리학의 역사

뉴턴시대에는 원자 모형이 단단하며 깨지지 않는 공 모양이었습니다. 이 모형은 비록 기체 운동론에는 좋은 가정이 되었으나, 이후 원자가 갖는 전기적인 특성이 밝혀지면서 새로운 모형을 만들어야 했습니다. 이후 원자가 갖는 전기적인 특성이 밝혀지면서 새로운 모형을 만들어야 했습니다.

 
톰슨이 제안한 모형은 마치 수박에 수박씨가 박혀 있는 것 처럼, 양전하가 어떤 공간 안에 퍼져 있고, 이 공간 안에 전자가 박혀 있는 모형이었습니다. 1911년에 러더퍼드와 그의 제자들인 가이거와 마스덴은 톰슨의 모형이 완전히 틀렸음을 증명하는 중요한 실험을 수행합니다. 이 실험에서 양전하를 띤 알파 입자들의 빔이 얇은 금속 박편에 입사되었습니다. 대부분의 알파 입자들은 마치 빈 공간을 지나듯이 박편을 통과 해 버렸으나, 몇개의 입자들은 큰 각도로 산란되었고, 심지어 어던 것들은 완전히 뒤쪽으로 가기도 했습니다. 이렇게 큰 산란은 예상 밖이었습니다.

톰슨의 모형에서는 양전하를 띤 알파 입자가 그렇게 큰 각도로 휘어질 정도로 큰 양전하에 절대로 가까이 갈 수 없습니다. 러더퍼드는 이 결과를 원자 안에 양전하가 핵이라고 하는 원자 크기에 비해 상대적으로 작은 영역안에 집중 되어 있다는 가정을 하여 설명했습니다. 행성들이 태양의 주변을 도는 것 처럼 원자속에 속해 엤는 어떤 전자라도 핵 주변의 궤도를 도는 것으로 묘사할 수 있습니다. 러더퍼드의 실험에서 사용된 알파 입자는 이후 헬륨 원자의 핵으로 밝혀졌습니다. 러더퍼드의 행성 모형은 두가지 기본적인 문제점이 있습니다. 

 

첫째,

원자는 특정한 불연속적인 진동수의 전자기파를 방출하고 다른 진동수의 전자기파는 방출하지 않습니다.

러더퍼드의 모형은 이를 설명할 수 없었습니다. 

 

둘째,

러더퍼드의 모형에서 전자는 구심력을 받습니다. 맥스웰의 전자기학 이론에 따르면 진동수 f로 회전하면서 구심력을 받는 전하는 그 진동수와 같은 진동수의 전자기파를 반드시 방출해야 합니다. 전자가 에너지를 방출함에 따라 궤도의 반지름은 계속해서 줄것이고 회전 진동수는 점점 증가합니다. 이 과정으로 원자는 계속해서 진동수가 증가하는 복사를 방출하게 되고, 또한 전자는 나선을 그리며 핵으로 급격하게 빨려 들어가 원자가 붕괴할 것입니다.

 

결과
 

러더퍼드의 원자 모형은 원자로부터 방출되는 특정한 복사를 설명한 보어의 모형에게 길을 내주었습니다.

그 이후 보어의 이론은 양자역학에 의해 대체되었습니다, 이 이론들은 모두 원자 스펙트럼의 연구에 기반을 두고 있습니다.

원자 스펙트럼이란 각각의 원소에서 방출된 빛의 파장에서 나타나는 고유한 무늬입니다.