원자 모델의 역사 (atomic models)

원자 모델의 개발은 물리학 분야에서 중요한 연구 분야였습니다. 오랜 시간에 걸쳐 원자와 구성 입자의 특성을 설명하기 위해 여러 모델이 제안 되었습니다. 다음은 몇 가지 원자 모델에 대한 간략한 설명입니다.

• 톰슨 (Thomson) 원자 모델: 1897년 J.J. Thomson은 전자를 발견하였고, 이를 바탕으로 자신만의 원자 모형을 제안했습니다. 이 모델에 따르면 원자는 양전하를 띤 물질에 내장된 음전하를 띤 전자로 구성됩니다. 원자 전반에 걸쳐 양의 전기가 골고루 퍼져 있고, 전자가 곳곳에 음의 전기를 품고 박혀 있다고 생각하였고, 이는 마치 푸딩 속에 자두가 박혀 있는 것과 비슷하다고 하여 푸딩 모형이라고도 합니다. 
• 러더퍼드 (Rutherford) 원자 모델: 1911년 어니스트 러더퍼드는 얇은 금박 시트에 알파 입자를 충돌시키는 실험을 수행했습니다. 실험 결과를 바탕으로 후방산란을 관찰할 수 있었고, 후방산란을 설명하기 위해서는 새로운 원자 모델이 필요했습니다. Rutherford는 핵 원자 모델을 제안했습니다. 이 모델에 따르면 원자는 음전하를 띤 전자로 둘러싸인 작고 조밀하며 양전하를 띤 핵으로 구성됩니다.
• 보어 (Bohr) 원자 모델: 1913년에 닐스 보어는 러더퍼드 모델에 대한 수정을 제안했습니다. 보어 모델에 따르면 전자는 고정된 거리에서 원형 경로로 핵 주위를 공전합니다. 각 궤도는 특정 에너지 수준에 해당하며 전자는 에너지를 흡수하거나 방출하여 다른 레벨로의 이동이 가능합니다.
• 파동역학 모델: 1920년대에 Louis de Broglie와 Erwin Schrödinger는 원자의 파동역학 모델을 제안했습니다. 이 모델에 따르면 전자는 특정 궤도에 국한되지 않고 핵을 둘러싼 영역에서 확률의 구름으로 존재합니다. 이 모델은 파동-입자 이중성 원리를 기반으로 하며, 이는 입자가 파동과 입자와 같은 행동을 모두 나타낼 수 있음을 시사합니다.
• 양자 역학 모델: 원자의 양자 역학 모델은 파동 역학 모델을 개선한 것입니다. 양자 역학의 원리를 통합하고 전자를 입자와 파동으로 취급합니다. 이 모델은 수학 방정식을 사용하여 핵 주변의 주어진 공간 영역에서 전자를 찾을 확률을 설명합니다. 

 

Schematic representation of the Bohr atom. [1]

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering