원자(Atom)의 정의와 발견 과정

1. 원자(Atom)의 정의와 개요 

 원자(Atom)는 물질의 기본 단위이자 실존하는 입자로 셀 수 있는 물리적 개념을 가지며 화학적 성질을 유지하는 가장 작은 입자입니다. 원자의 구조는 크게 세 가지 기본 입자로 구성되며 고전 범위(작은 범위)에서는 양성자(Proton), 중성자(Neutron), 전자(Electron)로 구분하기도 합니다. 현대 물리학에서는 더 나아가 이들의 내부 구조까지 연구하여 원자의 본질을 더욱 깊이 이해하고 있습니다.

1) 원자의 원자의 구성 요소

① 원자핵(Nucleus)은 두 가지 아원자로 구성되며 원자의 중심에 위치하며, 대부분의 질량을 차지합니다. 원자핵을 구성하는 두 가지 아원자는 양성자와 중성자로 이루어집니다. 양성자(Proton)는 양의 전하(+1)를 가지며, 원자 번호를 결정하게 되고, 중성자(Neutron)는 가지고 있는 전하가 없으며, 원자의 질량과 안정성에 영향을 미치게 됩니다. 
② 전자(Electron)는 원자핵 주변에서 움직이는 음의 전하(-1)를 가진 입자로 원자핵과 전자기력에 의해 원자에 결합된 상태로 일정한 확률적 궤도에 존재합니다. 이러한 확률 궤도에 존재하는 전자의 수는 원자 반응과 화학적 성질을 결정짓는 중요한 역할을 하게 됩니다. 
③ 쿼크(Quark)는 물질을 구성하는 기본 단위이자 업 쿼크(+2/3), 다운 쿼크(-1/3)로 기본 전하의 정수배가 아닌 전하를 가진 입자는 쿼크가 유일합니다. 양성자와 중성자는 쿼크로 구성된 복합입자로 양성자는 업 쿼크 2개, 다운 쿼크 1개로 구성되며, 중성자는 업 쿼크 1개, 다운 쿼크 2개로 구성됩니다. (양성자의 쿼크 구성 (업-업-다운=+1), 중성자의 쿼크 구성 (업-다운-다운=0)) 

2) 원자의 크기와 질량

 위와 같이 구성되는 원자의 크기와 질량을 알아보면 원자의 크기는 대략 1 옹스트롬(10^-10)으로 예상되며 그 중 원자핵의 크기는 대략 1 페르미(10^-15)로, 원자 전체의 크기에 약 10만 배 작은 크기입니다. 그리고 원자의 질량은 양성자와 중성자가 원자의 대부분의 질량을 나타내고 전자의 질량은 매우 작아 무시할 수준입니다. 

 

2. 원자의 발견 과정

원자의 발견 과정을 시대순으로 알아보면 고대 시대의 원자, 근대 시대의 원자로 크게 구분이 되어집니다. 

 

1) 고대 원자 개념

 기원전 5세기, 그리스 철학자 데모크리토스가 "모든 물질은 더 이상 나눌 수 없는 입자인 원자로 구성된다"는 개념을 제안하였습니다. 이 개념은 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 의미로 '아토모스(Atomos)'라는 단어로 알려졌고, 현재의 원자(Atom)의 어원이 되었다고 예측합니다. 이 당시에는 현재와 다르게 자연의 4원소(물, 불, 공기, 흙)가 물질을 이루는 구성 요소라고 생각했습니다.

2) 근대 원자 개념

 존 돌턴(John Dalton, 1803)은 영국의 화학자이자 물리학자로 원자설(론)을 주장하며 원자의 고전 개념을 세웠습니다. 돌턴의 원자설 중 현대에는 그 가설과 다른 연구 결과가 밝혀지며 많은 부분 명제가 성립되기 힘들지만 원자의 개념을 밝히는데 중요한 사건이었습니다. 돌턴의 원자설은 다음과 같습니다. 

돌턴의 원자설	현재 원자 개념
원자는 더 이상 쪼개질 수 없다.	원자는 쪼개질 수 있다 (양성자, 중성자 등 미세입자 발견)
같은 원소의 원자는 같은 크기와 질량, 성질을 가진다.	동일 원소간에도 질량이 다를수 있다 (동위원소 개념)
원자는 다른 원자로 바뀔 수 없으며 없어지거나 생겨날 수 없다.	원자는 다른 원자로 바뀔수 있다 (핵분열, 핵융합 등)
화학반응은 원자와 원자의 결합 방법만 바뀌는 것으로, 원자가 다른 원자로 바뀌지는 않는다. 따라서 질량이 보존된다.	유지
화합물을 생성시 다른 종류의 원자들은 정수배로 결합할 수밖에 없다.	유지

 

 J.J. 톰슨은 음극선과 음극선관을 통해 원자와 구성입자 발견 실험(1897)을 진행하였고 그 실험을 통해 전자를 발견했습니다. 이는 원자가 나눌 수 없는 입자라기 보다는 전자를 포함한다는 사실을 입증하며 원자핵이 원자에 자유로이 분포하는 모델인 '푸딩 모델'을 제안하여 전자가 원자 내부에 퍼져 있다고 설명했습니다. 그리고 추가적인 실험을 통해 서로 다른 질량을 가진 네온(네온-20, 네온-22)을 발견하여 동위원소에 대한 증거를 확인하기도 하였습니다.  
 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험(1911)을 통해 원자핵이 원자 중심에 위치하며, 매우 밀도가 높고 작은 부피를 가진다는 것을 확인하였습니다. 그는 전자가 양전하가 원자의 중심(원자핵)에 모여있고 전자는 원자핵 주위를 공전한다는 태양계 모델의 원자 구조 제안하였습니다. 
 닐스 보어는 양자화의 개념을 도입해 전자가 특정 궤도를 따라 운동하며, 특정 에너지 준위를 가진다는 모델(1913)을 제안하였습니다. 원자 속의 전자는 각운동량이 f/2π의 정수배인 궤도에서만 안정한 상태로 돌 수 있다라는 양자조건과 안정된 상태의 전자 궤도 사이를 넘나들 때, 그 차이에 해당하는 에너지 값을 가진 광자를 방출하거나 흡수한다는 진동수 조건이 포함된 이 모델은 수소 원자의 선 스펙트럼을 통해 발견되었습니다. 
 *양자화 : 어떤 물리량이 연속적으로 변하지 않고 고정된 값의 정수배만을 가지는 현상을 말합니다.

러더퍼드의 모델	닐스 보어의 모델
전자는 원자핵을 중심으로 원운동	전자는 f/2π 궤도를 중심으로 공전
가속운동 (원자핵과 충돌)	등속운동 (원자궤도 개념)
전자의 에너지 감소는 연속적임	전자의 에너지 감소는 불연속적임
가시광선 스펙트럼 발생	선 스펙트럼 발생