데모크리토스는 모든 것이 원자로 구성되어 있고, 원자는 더 이상 쪼개질 수 없는 단단한 공이라고 믿었습니다.

다양한 원자 모델

——원자 구조 탐색 과정

|행성 구조 모델|중립 모델|고체 전하 공 모델|건포도 케이크 모델| 모델 | 태양계 모델 | 보어 모델 |

영국의 화학자이자 물리학자인 J. John Dalton(1766~1844)(오른쪽 사진)이 원자론을 창시한 이후 오랫동안 우리나라 사람들은 생각한다. 원자는 극도로 작은 단단한 유리구슬과 같으며 그 안에는 더 이상 속임수가 없다는 것입니다.

1869년 독일 과학자 히토프가 음극선을 발견한 이래 크룩스, 헤르츠, 러너, 톰슨 등 수많은 과학자들이 20년 넘게 음극선을 연구해 왔다. 마지막으로 Joseph John Thomson은 전자의 존재를 발견했습니다(과학 기술 포럼 "신비한 녹색 형광"을 참조하세요). 일반적으로 원자는 자신의 질량보다 1,700배 작은 음전하를 띤 전자가 원자 밖으로 빠져나올 수 있기 때문에 원자 내부에 여전히 구조가 있다는 것을 보여주고, 원자 안에는 여전히 양전하를 띠는 물질이 있다는 것을 보여줍니다. 전자가 운반하는 음전하를 중화시켜 원자를 중성으로 만들어야 합니다.

원자 안에 전자 외에 또 무엇이 있나요? 원자에 양전하를 띠는 것은 무엇인가요? 음전하를 띤 전자와 양전하를 띠는 전자는 어떻게 분포되나요? 물리학자들은 수많은 새로운 질문에 직면합니다. 당시 물리학자들은 과학적 실천과 실험적 관찰을 바탕으로 풍부한 상상력을 발휘하여 다양한 원자 모델을 제안했습니다.

행성 구조의 원자 모델

1901년 프랑스 물리학자 장 바티스트 페랭(1870~1942)(왼쪽 사진)이 제안한 구조 모델은 원자의 중심이 띠라고 믿었다. 양전하를 띤 입자는 궤도를 도는 전자로 둘러싸여 있습니다. 전자의 궤도 주기는 원자가 방출하는 스펙트럼 선의 주파수에 해당합니다.

중성 원자 모델

1902년 독일의 물리학자 필립 에드워드 안톤 레나르트(1862-1947)(오른쪽 사진)가 중성 입자 운동 원자 모델을 제안했습니다. Leonard의 초기 관찰은 음극선이 진공관의 알루미늄 창을 통과하여 진공관 외부에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. 이 관찰을 바탕으로 그는 1903년 흡수 실험을 통해 고속 음극선이 수천 개의 원자를 통과할 수 있음을 증명했습니다. 당시 지배적이었던 반유물론적 견해에 따르면, 원자 부피의 대부분은 빈 공간이고, 단단한 물질은 전체 부피의 약 10-9(즉, 십만분의 1)에 불과합니다. 레너드는 "단단한 물질"이 원자의 내부 공간에 흩어져 있는 여러 개의 양전하와 음전하의 합성물이라고 상상했습니다.

고체 하전 구형 원자 모델

영국의 유명한 물리학자이자 발명가인 Lord Kelvin(1824~1907)(왼쪽 사진)은 원래 W. Thomson이라는 이름으로 명명되었습니다. 최초의 대서양 해저 케이블을 개발한 이후 영국 정부는 1866년 그에게 기사 작위를 수여했고, 1892년에는 켈빈 경(Lord Kelvin)으로 승진했으며, 그는 켈빈이라는 이름을 사용하기 시작했습니다. Kelvin의 연구 범위는 광범위하며 열, 전자기, 유체 역학, 광학, 지구물리학, 수학, 엔지니어링 응용 등에 기여했습니다. 그는 평생 동안 600편이 넘는 논문을 발표했고, 70개의 발명 특허를 획득했습니다. 그는 당시 과학계에서 높은 명성을 누렸습니다. 켈빈은 1902년에 원자를 음전하를 띤 전자가 묻혀 있는 균일하게 양전하를 띤 구체로 간주하는 고체 전하 구형 원자 모델을 제안했습니다. 이 모델은 나중에 J.J. Thomson에 의해 개발되었으며 나중에 Thomson 원자 모델로 알려졌습니다.

건포도 케이크 모델

Joseph John Thomson(1856-1940)(오른쪽 사진)은 원자 구조를 묘사하기 위해 보다 체계적인 연구를 계속했습니다. 톰슨은 원자가 균일한 양의 구체를 갖고 있고 이 구체 내에서 다수의 음의 전자가 흐르고 있다고 믿었습니다.

부유 자석의 평형에 대한 알프레드 메이어(Alfred Mayer)의 연구에 이어, 그는 전자의 수가 특정 한계를 초과하지 않으면 이러한 움직이는 전자에 의해 형성된 고리가 안정적이라는 것을 증명했습니다. 전자의 수가 이 한계를 초과하면 두 개의 고리를 형성하고 계속해서 여러 개의 고리를 형성합니다. 이런 식으로 전자의 증가는 주기적인 구조적 유사성을 가져오며, 멘델레예프의 주기율표에서 물리적, 화학적 성질이 반복적으로 반복되는 것도 설명할 수 있습니다.

톰슨이 제안한 이 모델에서 구형의 전자 분포는 케이크 조각에 점이 찍힌 건포도와 비슷합니다. 많은 사람들이 톰슨의 원자 모델을 "건포도 케이크 모델"이라고 부릅니다. 원자가 전기적으로 중성인 이유와 원자 내에서 전자가 어떻게 분포하는지 설명할 수 있을 뿐만 아니라 음극선 현상, 금속이 자외선 조사 하에서 전자를 방출할 수 있는 현상도 설명할 수 있습니다. 게다가 이 모델에 따르면 원자의 크기는 약 10~8센티미터 정도로 추정할 수 있는데, 이는 엄청난 일이다. 톰슨 모델은 당시의 많은 실험적 사실을 설명할 수 있기 때문에 많은 물리학자들이 쉽게 받아들인다.

토성 모형

일본의 물리학자 나가오카 한타로(1865~1950)는 1903년 12월 5일 도쿄 수리물리학회에서 구두발표를 했고, 1904년에 별도로 발표했다. 선형 및 밴드 분광학과 방사성 현상을 설명하는 원자의 전자 움직임"은 일본, 영국 및 독일 잡지에 게재되었습니다. 그는 양전하와 음전하가 서로 침투할 수 없다고 믿고 톰슨의 모델을 비판하고 "토성 모델"이라고 부르는 구조, 즉 양전하를 띤 핵 주위를 회전하는 전자 고리가 있는 원자 모델을 제안했습니다. 양전하를 띤 거대한 공에는 동일한 각속도로 원을 그리며 움직이는 전자가 주변에 균등하게 간격을 두고 있는 원이 있습니다. 전자의 방사형 진동은 선 스펙트럼을 방출하고, 고리 표면에 수직인 진동은 띠 스펙트럼을 방출합니다. 고리 밖으로 날아가는 전자는 베타선이고, 중앙 구 밖으로 날아가는 양전하 입자는 알파선입니다.

이 토성과 유사한 모델은 나중에 원자핵 모델을 확립하는 데 큰 영향을 미쳤습니다. 1905년에 그는 알파 입자의 전하 대 질량비 측정과 같은 실험 결과를 분석하여 알파 입자가 헬륨 이온이라는 결론을 내렸습니다.

1908년 스위스 과학자 리즈는 자기 원자 모델을 제안했습니다.

그들의 모델은 당시의 일부 실험적 사실을 어느 정도 설명할 수 있지만, 앞으로 나타날 많은 새로운 실험 결과를 설명할 수 없어 더 이상 발전하지 못했다. 몇 년 후, Thomson의 "건포도 케이크 모델"은 그의 학생인 Rutherford에 의해 뒤집어졌습니다.

태양계 모형 - 핵원자 모형

영국 물리학자 어니스트 러더퍼드(1871~1937)는 1895년 영국 캐번디시 연구소로 와서 톰슨과 함께 공부하며 톰슨의 첫 해외 대학원생이 되었다. . 러더퍼드는 학구적이고 부지런했습니다. 톰슨의 지도 하에 러더퍼드는 첫 번째 실험인 방사성 흡수 실험을 하면서 알파선을 발견했습니다.

러더퍼드가 고안한 독창적인 실험에서 그는 우라늄, 라듐 및 기타 방사성 원소를 납 용기에 넣고 납 용기에 작은 구멍만 남겼습니다. 납은 방사선을 차단할 수 있기 때문에 방사선의 작은 부분만이 구멍에서 매우 좁은 방사선 빔으로 나옵니다. 러더퍼드는 방사선 빔 근처에 강력한 자석을 배치하고 자석의 영향을 받지 않고 계속 직선으로 이동하는 유형의 광선이 있음을 발견했습니다. 두 번째 유형의 광선은 자석의 영향을 받아 한쪽으로 편향되지만 너무 많이 편향되지는 않습니다. 세 번째 유형의 광선은 굴절률이 높습니다.

러더퍼드는 방사선이 나는 방향으로 두께가 다른 물질을 배치해 방사선이 어떻게 흡수되는지 관찰했다. 첫 번째 유형의 광선은 자기장의 영향을 받지 않습니다. 즉, 대전되지 않고 투과력이 강하다는 의미입니다. 종이나 나무 조각과 같은 일반 물질로는 광선의 진행을 막을 수 없습니다. 상대적으로 두꺼운 납판만 있으면 완전히 차단할 수 있습니다. 감마선이라고 불리는 것입니다. 두 번째 유형의 광선은 자기장의 영향을 받아 한쪽으로 편향됩니다. 이 광선은 양전하를 띠고 있는 것으로 판단할 수 있으며, 이 광선의 투과력은 매우 약합니다. 종이로 완전히 막혔습니다. 이것은 러더퍼드가 발견한 알파선입니다. 세 번째 유형의 광선은 편향 방향을 기준으로 음전하를 띠고 있으며 빠르게 움직이는 전자와 동일한 특성을 가지고 있습니다. 베타선이라고 합니다. 러더퍼드는 특히 자신이 발견한 알파선에 관심이 있었습니다. 그는 심층적이고 상세한 연구 끝에 알파선은 양전하를 띤 입자의 흐름이며, 이 입자는 헬륨 원자의 이온, 즉 전자 2개가 빠진 헬륨 원자임을 지적했습니다.

'계수관'은 독일 학생 한스 가이거(1882~1945)가 발명한 것으로, 육안으로는 보이지 않는 전하를 띤 입자를 측정하는 데 사용할 수 있다. 하전된 입자가 계수 튜브를 통과하면 계수 튜브는 전기 신호를 방출합니다. 이 전기 신호가 알람에 연결되면 기기에서 "찰칵" 소리가 나고 표시등이 켜집니다. 눈에 보이지 않는 광선과 무형의 광선은 매우 간단한 도구를 사용하여 기록하고 측정할 수 있습니다. 이 장비를 가이거 계수기라고 합니다. 가이거 계수관의 도움으로 러더퍼드가 이끄는 맨체스터 연구소는 알파 입자의 특성에 대한 연구를 빠르게 발전시켰습니다.

1910년에 E. Marsden(1889-1970)은 맨체스터 대학에 와서 그에게 알파 입자를 사용하여 금박을 폭격하고 실험을 연습하고 그 입자를 기록하기 위해 형광 스크린을 사용하도록 요청했습니다. 금박 알파 입자를 통과한 것입니다. 톰슨의 건포도 케이크 모델에 따르면 작은 질량의 전자가 균일하게 양전하를 띤 물질에 분포되어 있으며 알파 입자는 두 개의 전자를 잃은 질소 원자이며 그 질량은 전자보다 수천 배 더 큽니다. 이렇게 무거운 껍질이 원자에 부딪히면 작은 전자는 그와 상대가 되지 않습니다. 금 원자의 양성 물질은 전체 원자 부피에 고르게 분포되어 있으며 알파 입자의 충격을 견딜 수 없습니다. 즉, 알파입자는 조금만 막혀도 금박을 통과한 후에는 알파입자의 방향이 약간만 바뀔 뿐입니다. Rutherford와 Geiger는 이러한 유형의 실험을 여러 번 수행했으며 그들의 관찰은 Thomson의 건포도 케이크 모델과 잘 일치했습니다. 알파 입자는 금 원자의 영향으로 방향이 약간 바뀌며 산란 각도가 매우 작습니다.

마스든(왼쪽 사진)과 가이거는 이 실험을 여러 번 반복했고 기적이 일어났습니다! 흩어진 알파 입자뿐만 아니라 금박에 반사되는 알파 입자도 관찰했습니다. 알파 입자. 러더포드는 자신의 말년 연설에서 그 장면을 다음과 같이 말했습니다. "2~3일 후에 가이거가 매우 흥분해서 나에게 와서 이렇게 말했습니다. '우리는 반사된 알파 입자를 얻었습니다....' 이것은 내 인생에서 가장 놀라운 사건입니다.. 15인치 대포를 담배 종이에 쏘고 반사된 대포에 맞는 것만큼 놀라운 일입니다. 계산을 해보니 원자 질량의 대부분이 아주 작은 핵에 집중되어 있다는 점을 고려하지 않고는 이 정도 크기를 얻는 것이 불가능하다는 것을 알게 되었습니다." /p>

러더퍼드가 "생각한 후에" 말한 것 하루 이틀 생각한 것이 아니라 1년이나 2년 내내 생각했습니다. 그는 수많은 실험과 이론적 계산, 신중한 고찰 끝에 선생님 톰슨의 고체 하전 구형 원자 모델을 뒤집고 핵 생성 원자 모델을 과감하게 제안했습니다.

러더퍼드는 학생의 실험에서 반사된 알파 입자가 실제로 알파 입자임을 확인한 후 반사된 알파 입자의 총 개수를 주의 깊게 측정했습니다. 측정 결과에 따르면 실험 조건에서는 입사하는 알파 입자 8,000개마다 알파 입자 1개가 반사되는 것으로 나타났습니다. Thomson의 고체 전하 구 원자 모델과 하전 입자의 산란 이론은 α 입자의 소각 산란만 설명할 수 있고 대각 산란은 설명할 수 없습니다. 다중 산란은 광각 산란을 일으킬 수 있지만, 계산 결과 다중 산란의 확률은 극히 작은 것으로 나타났습니다. 이는 위에서 언급한 알파 입자 8,000개 중 하나가 반사된다는 관측과는 거리가 멀습니다.

톰슨 원자 모델은 알파 입자 산란을 설명할 수 없습니다. 세심한 계산과 비교 끝에 러더퍼드는 알파 입자가 단일 원자를 통과할 때 양전하가 작은 영역에 집중되어 있다고 가정했을 뿐이라는 사실을 발견했습니다. 광각 산란이 발생할 수 있습니다. 즉, 원자의 양전하는 원자 중심의 아주 작은 핵에 집중되어 있어야 합니다. 이러한 가정을 바탕으로 러더퍼드는 알파 산란의 몇 가지 법칙을 추가로 계산하고 몇 가지 추론을 내렸습니다. 이러한 추론은 Geiger와 Marsden의 일련의 아름다운 실험을 통해 곧 확인되었습니다.

러더퍼드가 제안한 원자 모델은 태양처럼 양전하를 띤 핵과 태양을 공전하는 행성처럼 음전하를 띤 전자가 있는 태양계와 같습니다. 이 "태양계"에서 그들을 지배하는 힘은 전자기 상호 작용력입니다. 그는 원자 안의 양전하를 띤 물질이 아주 작은 핵에 집중되어 있고, 원자 질량의 대부분도 이 아주 작은 핵에 집중되어 있다고 설명했습니다. 알파 입자가 원자의 핵심에 직접 발사되면 다시 튀어 나올 가능성이 있습니다(왼쪽 그림). 이는 알파 입자의 광각 산란을 만족스럽게 설명합니다.

러더퍼드는 "물질과 그 원리 구조에 따른 알파 및 베타 입자의 산란"이라는 유명한 논문을 발표했습니다.

러더퍼드의 이론은 원자구조를 연구하는 새로운 길을 열었고 원자과학 발전에 불멸의 공헌을 했습니다. 그러나 당시 오랫동안 러더퍼드의 이론은 물리학자들로부터 무시되었습니다. 러더퍼드 원자 모델의 치명적인 약점은 양전하와 음전하 사이의 전기장력이 안정성 요구 사항을 충족할 수 없다는 것입니다. 즉, 전자가 핵 외부에 안정적으로 머무르는 방법을 설명할 수 없다는 것입니다. 1904년 나가오카 한타로가 제안한 토성 모델은 안정성의 어려움을 극복하지 못해 실패했다. 따라서 러더퍼드가 핵원자 모델을 제안했을 때 많은 과학자들은 이를 추측이나 다양한 모델 중 하나로 간주하고 러더퍼드가 모델을 제안한 견고한 기초를 무시했습니다.

러더퍼드는 남다른 통찰력을 갖고 있어 본질을 파악하고 과학적 예측을 하는 경우가 많았다. 동시에 그는 매우 엄격한 과학적 태도를 가지고 있으며 실험적 사실에 기초하여 내려져야 할 결론을 내립니다. 러더퍼드는 자신이 제안한 모델이 아직 불완전하며 추가 연구와 개발이 필요하다고 믿습니다. 그는 논문 시작 부분에서 다음과 같이 말했습니다. "이 단계에서는 언급된 원자의 안정성을 고려할 필요가 없습니다. 왜냐하면 이는 분명히 원자의 미세 구조와 하전된 구성 요소의 움직임에 달려 있기 때문입니다." 그 해에 친구에게 다음과 같이 썼습니다. "나는 1~2년 안에 원자의 구조에 대해 좀 더 명확한 통찰력을 얻을 수 있기를 바랍니다."

보어 모델

러더퍼드의 이론이 매력을 느꼈습니다. 덴마크 출신의 청년 닐스 보어(1885~1962)(왼쪽 사진)는 러더퍼드 모형을 바탕으로 핵 밖의 전자의 양자화된 궤도를 제안하고 원자 구조의 안정성 문제를 해결했으며, 원자 구조에 대한 완전하고 설득력 있는 이론이 설명되었습니다.

보어는 코펜하겐 교수 가문에서 태어나 1911년 코펜하겐대학교에서 박사학위를 받았다. 그는 1912년 3월부터 7월까지 러더퍼드의 실험실에서 공부했으며, 이 기간 동안 그의 원자 이론이 구상되었습니다. 보어는 러더퍼드 원자 모델의 안정성 문제를 해결하기 위해 먼저 플랑크의 양자 가설을 원자 내부의 에너지로 확장했습니다. 원자는 이산 에너지 양자를 통해서만 에너지를 변경할 수 있다고 가정했습니다. 정지 상태이며, 가장 낮은 정지 상태가 원자의 정상 상태입니다. 그런 다음 그는 친구 Hansen의 영감을 받아 스펙트럼 선의 결합 법칙에서 고정 전이 개념에 도달했습니다. 그는 1913년 7월, 9월, 11월에 "원자 구조와 분자 구조에 관한" 장편 논문의 세 부분을 출판했습니다.

보어의 원자 이론은 다음과 같은 원자 이미지를 제공합니다. 전자는 특정 가능한 궤도에서 핵 주위의 원을 그리며 움직이며, 핵에서 멀어질수록 가능한 궤도는 더 높아집니다. 전자의 각운동량은 h/2π의 정수배로 결정됩니다. 전자가 이러한 가능한 궤도에서 이동할 때 원자는 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 점프할 때만 에너지를 방출하거나 흡수하지 않습니다. 에너지를 방출하거나 흡수하고, 에너지를 방출하거나 흡수합니다. 방사선은 단일 주파수이며, 방사선의 주파수와 에너지 사이의 관계는 E=hν로 표시됩니다. 보어의 이론은 원자의 안정성과 수소 원자의 스펙트럼 선의 규칙성을 성공적으로 설명했습니다.

보어의 이론은 양자론의 영향력을 크게 확대하고 양자론의 발전을 가속화했다. 1915년 독일의 물리학자 아놀드 조머펠트(1868~1951)는 보어의 원자 이론을 확장하여 타원 궤도를 포함시키고 전자의 질량이 속도에 따라 변하는 특수 상대성 이론의 효과를 고려하여 스펙트럼의 미세한 세부 구조를 도출했습니다. 실험과 일치합니다.

1916년 알베르트 아인슈타인(1879~1955)은 보어의 원자론에서 출발해 통계적 방법을 사용해 물질이 방사선을 흡수하고 방출하는 과정을 분석해 플랑크의 방사선 법칙을 도출했다.(왼쪽 사진은 보어와 아인슈타인이다.) ). 아인슈타인의 이 연구는 양자 이론의 첫 번째 단계의 성과를 종합하고 플랑크, 아인슈타인, 보어의 연구를 전체적으로 결합했습니다.

/kejiyuandi/zhishi/050127-paodan/paodan-index.htm