○ 교과서 확인
관련 단원 : Ⅱ. 물질의 구조
1. 원자의 구조와 주기율
○ 질문 1. 1)
원자핵이 발견되기 전에는 톰슨의 푸딩모델이 원자의 구조에 대한 유일한 설명이었다. 푸딩모델이란 원자내에 양전기가 골고루 퍼져있고 그 사이 사이에 음전기를 띤 전자가 퍼져 있다는 것이다.
러더포드는 톰슨의 푸딩모델을 확인할 목적으로 얇은 금박에 높은 에너지의 알파입자를 충돌시키는 실험을 고안했다. 그는 금 원자 내부에 양전기와 음전기가 골고루 퍼져있다면 평균적으로는 전하가 없는 셈이고, 양전기를 띤 알파입자는 높은 에너지를 가졌으므로 모두 금박을 쉽게 통과하리라고 예상했다.
대부분의 경우에는 예상한 대로 결과가 나왔다. 그런데 실험을 오래 지켜본 결과 금박의 바로 뒤에서 약간 벗어난 위치에서 알파입자가 검출되기도 하고, 심지어 8천번에 한번 정도는 알파입자가 완전히 180° 방향을 바꾸어 되돌아오기도 했다. 이런 실험을 통해 러더포드는 원자핵을 발견하게 된다.
러더포드의 원자모델은 지름이 1cm인 양전기를 띤 원자핵을 중심으로 그 주위에 지름이 1km인 전자의 궤도가 있는 태양계 모형으로 비유될 수 있다. 원자핵의 발견은 우리가 보고 만지는 모든 것이 대부분 빈 공간이라는 사실을 알게 함으로써 물질세계를 바라보는 눈을 달라지게 했다.(이화여대 2004 수시1)
(1) 원자를 구성하는 요소는 무엇인가?
(2) 러더포드가 실험하기 전에 예상한 결과는 무엇이었는가?
(3) 원자핵과 전자 사이의 빈 공간이 모두 없어지도록 지구를 압축시킨다면 그 반지름은 얼마가 되겠는가? 지구의 반지름은 약 6400km이다.
(4) 러더포드 모델이 갖는 커다란 한계는 무엇인가?
○ 대답 1~①
(1) 고대 그리스의 철학자인 데모크리토스나 18~19세기 영국의 과학자 돌턴이 생각했던 원자는 더이상 쪼갤 수 없는 기본적인 입자였습니다. 그렇지만 1897년 톰슨의 음극선실험으로 전자의 존재가 밝혀졌고, 수소이온으로만 알고 있던 입자가 원자의 구성입자인 양성자이며, 1932년에 중성자의 존재가 밝혀진 상태입니다. 오늘날에 이르러서는 더 쪼개진 상태인 쿼크의 존재까지 밝혀졌습니다.
(2) 원자를 전체적으로 보면 전기적 중성상태를 유지하고 있습니다. 원자의 각 구성요소들의 존재가 밝혀지고, 원자의 중성상태를 설명하기 위해서 톰슨은 양전하와 음전하가 원자전체에 골고루 퍼져있다는 푸딩모델을 생각했습니다. 러더포드는 톰슨의 원자모델이 타당한지 증명하기 위해서 흔히 알고 있는 알파입자 산란실험을 한 것입니다. 그는 톰슨의 모델이 타당하다면, 높은 에너지를 갖는 알파입자들은 얇은 금박을 모두 통과해 금박 맞은편에서 검출될 것이라고 생각했습니다.
(3) 원자핵의 지름이 1cm이고, 원자의 지름은 1km인 상황에서 원자핵과 전자 사이의 빈 공간이 없게 압축한다는 것은 원자핵의 지름은 거의 변화가 없는 상태에서 원자의 지름이 크게 감소하는 것을 의미합니다. 왜냐하면 원자핵은 양성자와 중성자가 강한 핵력으로 뭉쳐진 딱딱한 공과 같은 상태이기 때문입니다. 1km가 1cm로 줄어드는 것은 1:100000비율로 감소하는 것입니다. 지구를 구성하고 있는 물질도 원자로 이뤄졌기에 같은 비율로 감소한다고 생각하면, 지구의 반지름은 6400cm, 즉 64m가 될 것입니다.
(4) 러더포드의 모델에 따르면 원자의 중심에 원자핵이 작은 부분을 차지하고, 전자가 그 주위를 돌아다닌다고 했는데, 그러한 상황에서는 원자핵의 양성자와 전자간의 정전기적 인력이 강하게 작용하게 됩니다. 정전기적 인력이 작용하면 둘 사이의 거리는 점점 가까워지고, 그만큼 전자가 갖고 있던 에너지도 감소하게 됩니다. 에너지는 보존된다는 에너지 보존법칙처럼 감소하는 에너지는 다른 형태로 전환될 것이며, 빛에너지도 그 한 예가 될 것입니다.
만약 어떤 물질에 에너지를 가하면 물질은 빛을 내는데, 이를 측정한 것이 방출스펙트럼입니다. 원소의 불꽃 반응 실험이 좋은 예입니다. 불꽃의 색을 통해 미지금속을 알 수 있습니다. 예를 들어 리튬은 붉은색, 나트륨은 노란색을 띱니다. 분광계를 통해 보면 각각 독특한 선스펙트럼을 관찰할 수 있습니다.
러더포드의 모델에 따르면 에너지 변환은 지속적으로 이뤄지기에 관찰되는 스펙트럼도 햇빛을 프리즘에 통과시킨 것처럼 연속스펙트럼이어야 합니다. 하지만 위의 예처럼 선스펙트럼이 나오는 것은 특정한 단계의 에너지가 필요하다는 것을 의미합니다. 러더포드 모델의 한계를 극복한 것이 보어의 모델이고, 두 모델의 차이점은 보어모델은 전자들이 특정궤도를 따라 움직인다는 점입니다.
○ 대답 1~②<핵심 확인사항>
물이 얼음이나 수증기가 되는 등의 물질상태적인 설명에는 분자 개념이 도입되지만, 분자를 구성하는 기본 단위가 바로 원자이기 때문에 원자는 화학의 주춧돌과 같은 것이다. 각각의 원자구조모델이 나오게 된 배경실험을 꼼꼼히 살펴보고, 각 모델들이 가졌던 한계점을 언급한다.
1) 기출문제
2004학년도 이화여자대학교