러더퍼드 원자 모델
우리는 모두 패딩 속의 자두를 보았습니다. 이전에는 원자 내의 전자가 원자의 양전하에 분포되어 있다고 생각되었습니다. 즉, 원자의 전체에 양전하가 존재하고 그 위에 음전하인 전자가 불균등하게 분포되어 있다고 생각되었던 것입니다. 이러한 원자 모델 개념은 '자두와 푸딩 모델'로 알려져 있습니다. 이 개념은 전자를 발견한 J.J. 톰슨이 제시했습니다. 자두와 푸딩 모델에 따르면, 원자의 양전하와 음전하는 원자의 몸체 전체에 분포되어 있으며 원자 내에 집중된 질량은 없어야 합니다.
1899년 맨체스터 대학의 어니스트 러더퍼드는 방사성 물질인 우라늄에서 방출되는 양전하 헬륨 이온인 알파 입자를 발견했습니다. 이러한 알파 입자는 아연 황화물 코팅 스크린에 충돌할 때 밝은 점을 생성합니다. 원자 내에 집중된 질량이 없으므로, 얇은 금속 포일을 양전하 알파 입자로 폭격하면 모든 알파 입자가 거의 편향 없이 포일을 통과할 것이라고 예측되었습니다.
원자에서 발생하는 작은 전기장은 입자의 운동에 큰 영향을 미치지 못합니다. 따라서 알파 입자의 운동 경로에서 1도 미만의 편향이 있을 것으로 예측되었습니다. 이 예측은 어니스트 러더퍼드가 실험을 수행하여 자두와 푸딩 모델을 검증하도록 동기를 부여했습니다. 그는 동료 과학자인 어니스트 마스든과 한스 게거에게 알파 입자로 얇은 금속 포일을 폭격하도록 지시했습니다. 지시에 따라 어니스트 마스든과 한스 게거는 실험을 수행하고 역사적인 결과를 얻었습니다. 그들은 매우 얇은 금박을 알파선총 앞에 배치했고, 금박 주변에 아연 황화물 스크린을 설치하여 알파 입자가 스크린에 충돌할 때 생기는 밝은 점을 관찰했습니다. 실험은 어두운 방에서 진행되었습니다. 그들은 실험 중에 예상대로 알파 입자가 필름을 통과하여 뒤쪽의 아연 황화물 스크린에 충돌하는 것을 관찰했습니다.
그러나 스크린 위의 밝은 점을 세어보니 예상과 다른 결과가 나왔습니다. 모든 알파 입자가 직선으로 포일을 통과하지 않았습니다. 아주 적은 비율의 알파 입자들이 금박을 통과하면서 여행 경로를 바꾸었습니다. 입자들이 경로에서 벗어난 것이 아니라, 일부는 직접 알파 총 또는 알파 총의 소스로 되돌아갔습니다. 상세한 관찰 연구 후, 어니스트 마스든과 한스 게거는 어니스트 러더퍼드에게 보고서를 제출했습니다. 그들의 보고서를 검토하고 연구한 후, 러더퍼드는 새로운 원자 모델을 예측하였으며, 이를 러더퍼드 원자 모델이라고 합니다.
그는 직접 반사된 알파 입자는 무언가 더 무거운 질량과 충돌했으며, 그 질량은 양전하를 가지고 있어야 한다고 예측했습니다. 또한 일부 편향된 알파 입자는 반사되지 않고 매우 큰 각도로 편향되었다는 것을 발견했습니다. 다양한 편향각과 해당 각도로 편향된 입자의 수를 관찰하여, 양전하 알파 입자가 비교적 큰 집중된 양전하에 영향을 받았다고 예측했습니다. 그는 원자 내에서 질량과 양전하의 집중이 같은 위치에 있으며, 이것이 원자의 중심에 있고 이를 원자의 핵이라고 명명했습니다. 또한 중앙 핵을 제외하고 원자의 모든 공간은 공허하다고 주장했습니다.
이 금박 실험 이후, 러더퍼드는 더 현실적인 원자 모델을 제시했습니다. 이 모델은 핵 원자 모델 또는 행성 모델이라고도 합니다. 이 모델은 1911년에 제시되었습니다. 러더퍼드의 원자 모델에 따르면, 원자의 대부분의 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 이 핵은 양전하를 가지고 있으며, 이를 둘러싼 작고 가벼운 음전하 입자인 전자가 있습니다. 이러한 전자는 행성이 태양 주위를 돌듯이 핵 주위를 돌며, 이 때문에 이 모델은 행성 모델이라고도 합니다.
핵의 반경은 약 10-13 cm입니다. 핵 주위를 도는 전자의 원형 경로의 반경은 약 10-12 cm이며, 이는 전자의 지름보다 큽니다. 원자의 반경은 약 10-8 cm입니다. 따라서, 행성 시스템처럼 원자도 매우 개방적이어서 다양한 종류의 고속 입자에 의해 관통될 수 있습니다. 러더퍼드의 행성 원자 모델은 아래 그림과 같습니다-
양전하 핵과 핵 주위를 도는 음전하 전자 사이에는 인력이 존재합니다. 이 양전하 핵과 음전하 전자 사이의 정전기력은 태양과 태양 주위를 도는 행성 사이의 중력과 유사합니다. 이 행성 원자의 대부분은 공허한 공간으로, 이는 양전하 알파 입자와 같은 양전하 입자들의 통과에 어떠한 저항도 제공하지 않습니다. 저항이 없습니다.
원자의 핵은 매우 작고 밀도가 높으며 양전하를 가지고 있어, 양전하 입자의 산란을 일으킵니다. 이 현상은 양전하 알파 입자가 양전하 핵에 의해 산란되는 것을 설명하며, 이는 어니스트 러더퍼드가 관찰한 금박에 의한 양전하 알파 입자의 산란을 설명합니다. 어니스트 러더퍼드 원자 모델은 영국 물리학자 J.J. 톰슨이 제시한 톰슨의 자두와 푸딩 모델을 대체하는데 성공했습니다.
어니스트 러더퍼드의 원자 모델에 따르면, 전자는 원자의 질량에 붙어 있지 않습니다. 전자는 공간에서 정지하거나 핵 주위를 원형 경로로 회전합니다. 그러나 만약 전자가 정지해 있다면, 전자와 핵 사이의 인력으로 인해 핵으로 떨어져야 합니다. 반면에 전자가 원형 경로로 움직인다면, 전자기 이론에 따르면, 가속된 전자의 전하가 지속적으로 에너지를 잃고 핵으로 떨어져야 합니다. 아래 그림에서와 같이 러더퍼드 원자 모델은 왜 전자가 양전하 핵으로 떨어지지 않는지를 설명하지 못합니다.
따라서, 러더퍼드 원자 모델의 결함은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
러더퍼드 원자 모델은 궤도에서의 전자의 분포를 설명하지 않습니다.
러더퍼드 원자 모델은 원자 전체의 안정성을 설명하지 않습니다.
위의 러더퍼드 원자 모델의 단점은 보어 원자 모델 (1913)로 극복되었습니다.
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