원자 모델
양자 역학의 위대한 공헌 중 하나는 그때까지 과학에 알려진 가장 작은 규모인 원자에서 현상을 가장 잘 해석한 것입니다. 원자에 대한 정량적 설명을 제공한 물리학자는 덴마크의 닐스 보어(Niels Bohr)이지만 원자 구조에 대한 그의 공헌을 이해하기 위해 그의 이전 원자에 대해 만들어진 몇 가지 모델을 검토해 보겠습니다.
존 달튼(1766-1844):
존 달튼은 이렇게 말했습니다.
- 자연의 모든 것은 원자로 이루어져 있다
- 원자는 생성하거나 파괴할 수 없습니다. 이것은 모든 화학 원소의 원자 수는 그 기원 이후 우주에서 일정하게 유지되어야 함을 의미합니다.
- 같은 원자는 같은 성질을 갖고, 다른 원자는 성질이 다릅니다. 주어진 원소의 원자는 질량으로 특징지어집니다. (미래에 그렇지 않으면 원자는 질량이 아니라 원자 번호로 특징지어집니다.)
- 원자는 서로 결합하고 재결합하여 모든 물질의 기본 구조를 구성하는 분자라고 하는 보다 안정적인 구조를 형성할 수 있습니다.
JJ 톰슨(1856-1940):
Thompson은 음극선의 전하 대 질량 관계를 결정할 수 있었고, 실험적으로 "선"이 하전 입자임을 증명했습니다. 이것은 전자의 공식 발견으로 간주됩니다. 전자라는 이름은 고대인들이 동물의 가죽으로 문지른 식물성 수지인 호박을 의미하는 그리스어 elektron에서 유래했으며 가벼운 물체를 끌어들이는 능력을 획득하기 시작했습니다. 톰슨의 진술은 물질의 전기적 성질에 대한 최초의 실험적 관찰이었다. 물질의 다른 부분은 전자의 전하를 중화하고 원자를 전기적으로 중성으로 만드는 양의 덩어리로 구성되어 있습니다.
1898년에 Thompson은 그의 원자 모델을 공식화했습니다. 원자는 양의 질량에 음의 전자가 포함되어 있습니다. 이 모델은 "건포도 푸딩"으로 세례를 받았습니다.
따라서 Thompson의 원자 모델은 Dalton의 원자와 관련하여 두 가지 근본적인 혁신을 제시합니다.
- 원자는 전기적 특성을 가지고 있습니다.
- 고대 그리스 사상가와 John Dalton 자신이 상상했던 것과는 반대로 원자는 비활성화될 수 있습니다.
러더퍼드 (1871-1937):
Rutherford는 과학자 Geiger 및 Marsden과 함께 폴로늄 원자의 방출을 이용했으며 원자의 올바른 거동을 발견하기 위한 시도에서 가장 중요한 실험 중 하나를 수행했습니다.
실험은 폴로늄과 같은 알파 입자(α)의 방사체로 구성되었으며 이러한 입자 빔은 매우 미세한 금판에 발사되었습니다. 이 입자가 블레이드에 부딪쳤을 때 입자는 일종의 편향을 겪었습니다. 편향된 입자는 거의 없지만 블레이드에 부딪힌 극소수는 반대 방향으로 돌아갑니다. "자두 푸딩" 모델이 정확하다면 Rutherford와 나머지 팀이 예상한 것은 모든 입자가 (α) Thompson의 이론에 따르면 음의 입자도 양의 구름도 입자를 반사하기에 충분한 질량 밀도나 전하를 가지지 않기 때문에 금판을 가로질러 약간의 편차만 발생합니다. (α).
이를 통해 Rutherford는 원자가 원자 자체의 크기보다 훨씬 작은 영역을 가지며 거의 모든 질량이 중심에 집중될 것이라고 상상했습니다. 원자는 핵에서 멀리 떨어진 전자와 거의 무시할 수 있는 질량을 가진 큰 빈 공간이 될 것입니다. Rutherford의 원자 모델은 아래 이미지와 같습니다.
현대 원자:( XX - XXI ):
파동 역학 및 양자 역학을 포함하는 더 현대적인 다른 원자 모델은 Rutherford 모델의 여러 결함을 성공하고 설명했습니다. 원자의 안정적이고 우아한 모양을 보여준 과학자 중 한 명은 Niels Bohr였습니다.
Rutherford의 모델은 전자의 운동을 설명하는 데 몇 가지 심각한 불일치가 있었습니다. 고전 역학에 따르면 움직이는 전기 입자는 지속적으로 전자기파를 방출해야 합니다. 이것은 전자가 핵과 충돌할 때까지 에너지를 잃는 원인이 됩니다. 즉, 고전 역학에 따르면 Rutherford 원자는 불안정할 것입니다.
1903년 Niels Bohr는 여기된 원자에 의한 빛의 방출을 설명하는 데 관심을 갖고 새로운 원자 모델을 공식화했습니다. 가시광선의 근원은 본질적으로 전자의 움직임에 의존한다는 것은 이미 알려져 있었습니다. 원자의 전자는 열이나 전류와 같은 다양한 방법에 의해 가장 낮은 에너지 상태에서 가장 높은 에너지 상태로 상승할 수 있습니다. 전자가 결국 가장 낮은 수준으로 돌아가면 스펙트럼의 가시 영역에 있을 수 있는 방사선을 방출합니다. Bohr이 제안한 모델은 아래를 참조하십시오.
보어는 전자가 같은 궤도에 있는 한 방사선을 방출하지 않으며 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 이동할 때만 전자가 방출된다고 결론지었습니다.
양자 이론을 통해 그는 개념을 보다 정확하게 공식화할 수 있었습니다. 궤도는 핵에서 어떤 거리에도 위치하지 않고 반대로 전자의 특정 에너지 준위에 해당하는 몇 개의 궤도만 가능합니다. 궤도로의 전자의 통과는 점프에 의해 이루어져야 하고, 전자는 이 층들 사이의 공간을 통해 이동하지 않을 것입니다. 왜냐하면 에너지를 흡수할 때 전자가 더 외부 궤도로 점프하기 때문입니다(양자 도약이라는 개념). , 방출할 때 더 내부적인 것으로 이동합니다(광자라고 하는 개념). 이러한 각각의 방출은 스펙트럼에서 잘 배치된 광선으로 나타납니다.
위에서 언급한 흑체 복사, 광전 효과 및 보어의 새로운 원자 이론과 같은 이러한 모든 이론을 통해 양자 역학은 개념과 이론에 잘 기반을 두고 있습니다. 이러한 발견 이후, 과학은 과학자들이 원자와 같은 가장 작은 규모나 그보다 작은 규모의 경우 이 미시적 우주의 법칙이 양자 역학의 법칙에 의해 지배된다는 것을 깨달은 새로운 방향을 택했습니다. 우리는 이 이론이 어떻게 계속되었고 어떤 분야에 적용되는지 더 자세히 보게 될 매일의 거시적 우주입니다.