러더퍼드의 원자 모형은 1911 년 어니스트 러더 포드 (1,871에서 1,937 사이)을 발견 한 영국의 물리학 자에 의해 생성 된 원자의 설명을 때 자신의 이름을 유명한 산란 실험에 의한 원자핵.
물질의 가장 작은 구성 요소 인 원자 (그리스어로 "보이지 않는")의 개념은 기원전 300 년경 고대 그리스에서 태어난 지적 창조물이었습니다. 다른 많은 그리스 개념과 마찬가지로 원자의 개념은 다음을 기반으로 개발되었습니다. 논리와 논증이지만 실험은 아닙니다.
러더 포드의 원자 모델
가장 주목할만한 원 자주의 철학자는 Abdera의 Democritus (기원전 460-360), Samos의 Epicurus (기원전 341-270), Titus Lucretius (기원전 98-54)였습니다. 그리스인들은 물질을 구성하는 네 가지 요소 인 공기, 물, 흙, 불에 해당하는 네 가지 유형의 원자를 고안했습니다.
나중에 아리스토텔레스는 다섯 번째 요소를 추가 할 것입니다. 다른 네 가지 요소는 순전히 지상파 였기 때문에 별을 형성 한 에테르입니다.
아리스토텔레스가 교사였던 알렉산더 대왕의 정복은 스페인에서 인도에 이르기까지 고대 세계로 그의 신념을 확장했으며 수세기 동안 원자에 대한 아이디어는 과학 세계에서 자신의 자리를 만들고있었습니다.
원자는 더 이상 나눌 수 없습니다.
물질의 구조에 대한 그리스 철학자들의 생각은 영국의 화학자이자 학교 교사 인 John Dalton (1776-1844)이 1808 년 그의 실험 결과를 발표 할 때까지 수백 년 동안 그대로 유지되었습니다.
Dalton은 원소가 원자라고하는 극히 작은 입자로 구성된다는 데 동의했습니다. 그러나 그는 동일한 원소의 모든 원자가 동일하고, 동일한 크기, 동일한 질량 및 동일한 화학적 특성을 가지므로 화학 반응 중에도 변하지 않은 상태로 유지된다고 말했습니다.
이것은 최초의 과학적 기반 원자 모델입니다. 그리스인과 마찬가지로 Dalton은 여전히 원자를 나눌 수 없다고 생각했기 때문에 구조가 부족했습니다. 그러나 Dalton의 천재성은 그가 물리학의 위대한 보존 원칙 중 하나를 관찰하도록 이끌었습니다.
- 화학 반응에서 원자는 생성되거나 파괴되지 않고 분포 만 변경됩니다.
그리고 그는 화합물이 "복합 원자"(분자)에 의해 형성되는 방식을 확립했습니다.
- 서로 다른 원소의 두 개 이상의 원자가 결합하여 동일한 화합물을 형성하면 항상 정의되고 일정한 질량 비율로 그렇게합니다.
19 세기는 전기와 자기의 위대한 세기였습니다. Dalton의 출판 후 몇 년 후, 일부 실험의 결과는 원자의 불가분성에 대해 과학자들에게 의구심을 불러 일으켰습니다.
Crookes 관
Crookes 튜브는 영국의 화학자이자 기상학자인 William Crookes (1832-1919)가 설계 한 장치입니다. Crookes가 1875 년에 수행 한 실험은 저압 가스로 채워진 튜브 내부에 두 개의 전극을 배치하는 것으로 구성되었습니다. 하나는 음극이라고하고 다른 하나는 양극이라고합니다.
두 전극 사이의 전위차를 설정함으로써 가스는 사용 된 가스의 특징 인 색상으로 빛납니다. 이 사실은 원자 내에 특정 조직이 존재하고 따라서 분할 할 수 없다는 것을 암시합니다.
또한이 방사선은 음극 앞의 유리관 벽에 약한 형광을 생성하여 튜브 내부에있는 십자 모양 표시의 그림자를 제거했습니다.
이것은 양극으로 직선으로 이동하는 "음극선"으로 알려진 신비한 방사선으로, 에너지가 높고 기계적 효과를 생성 할 수 있으며 양전하를 띤 판이나 자석에 의해 편향되었습니다.
전자의 발견
Crookes 튜브 내부의 방사선은 음전하를 띠기 때문에 파동이 될 수 없습니다. Joseph John Thomson (1856-1940)은 1887 년에이 방사선의 전하와 질량 사이의 관계를 발견했을 때 답을 내 놓았고, 그것은 항상 동일하다는 것을 발견했습니다 : 1.76 x 10 11 C / Kg., 가스에 관계없이 튜브 또는 음극을 만드는 데 사용되는 재료에 포함됩니다.
Thomson은 이러한 입자 소체라고 불렀습니다. 전하와 관련하여 질량을 측정함으로써 그는 각 소체가 원자보다 훨씬 작다는 결론을 내 렸습니다. 따라서 그는 그것들의 일부가되어야하고 전자를 발견해야한다고 제안했습니다.
영국 과학자는 점이 삽입 된 구체를 그려 원자의 그래픽 모델을 처음으로 스케치했습니다. 그 모양 때문에 "매화 푸딩"이라는 별명이 붙었습니다. 그러나이 발견은 다른 질문을 제기했습니다.
- 물질이 중성이고 전자가 음전하를 띠면 원자에서 전자를 중화시키는 양전하가 어디에 있습니까?
- 전자의 질량이 원자의 질량보다 작 으면 나머지 원자는 무엇으로 구성됩니까?
- 이렇게 얻은 입자는 왜 항상 전자이고 다른 유형이 아닌 이유는 무엇입니까?
러더 포드 산란 실험 : 원자핵과 양성자
1898 년에 러더 포드는 우라늄에서 나오는 두 가지 유형의 방사선을 확인했으며이를 알파와 베타라고 명명했습니다.
자연 방사능은 이미 1896 년 Marie Curie에 의해 발견되었습니다. 알파 입자는 양전하를 띠고 단순히 헬륨 핵이지만 그 당시 핵의 개념은 아직 알려지지 않았습니다. 러더 포드가 곧 알아 내려고했습니다.
Rutherford가 1911 년에 맨체스터 대학에서 Hans Geiger의 도움을 받아 수행 한 실험 중 하나는 전하가 양인 알파 입자로 얇은 금박을 폭격하는 것으로 구성되었습니다. 금박 주위에 그는 포격의 효과를 시각화 할 수있는 형광 스크린을 두었습니다.
관찰
형광 스크린에 미치는 영향을 연구하면서 Rutherford와 그의 조수는 다음을 관찰했습니다.
- 매우 높은 비율의 알파 입자가 눈에 띄는 편차없이 시트를 통과했습니다.
- 일부는 매우 가파른 각도에서 벗어났습니다.
- 그리고 끝까지 돌아온 사람은 거의 없었습니다.
러더 포드 산란 실험. 출처 :.
관측 2와 3은 연구자들을 놀라게했고 광선 산란을 담당하는 사람은 양전하를 띠고 있어야하며 관측 번호 1 덕분에 책임자가 알파 입자의 사람보다 훨씬 작다고 가정했습니다. .
러더 포드 자신은 "… 종이에 15 인치 해군 발사체를 발사하고 발사체가 튕겨서 당신을 때린 것처럼"라고 말했습니다. 이것은 Thompson 모델로는 확실히 설명 할 수 없습니다.
고전적인 관점에서 그의 결과를 분석 한 Rutherford는 원자의 양전하가 집중되어 중립성을 부여하는 원자핵의 존재를 발견했습니다.
Rutherford는 산란 실험을 계속했습니다. 1918 년까지 알파 입자의 새로운 목표는 질소 가스 원자였습니다.
이런 식으로 그는 수소 핵을 발견했고이 핵이 나올 수있는 유일한 장소는 질소 자체라는 것을 즉시 알았습니다. 수소 핵이 질소의 일부라는 것이 어떻게 가능했을까요?
러더 포드는 이미 원자 번호 1로 지정된 원소 인 수소 핵이 기본 입자 여야한다고 제안했다. 그는 그것을 그리스어로 proton이라고 불렀습니다. 따라서 원자핵과 양성자의 발견은이 뛰어난 뉴질랜드 인 덕분입니다.
러더 포드의 원자 모델은
새 모델은 Thompson과 매우 달랐습니다. 다음은 그의 가정입니다.
- 원자는 양전하를 띤 핵을 포함하고 있는데, 이는 매우 작지만 원자의 거의 모든 질량을 포함합니다.
- 전자는 먼 거리와 원형 또는 타원형 궤도에서 원자핵을 공전합니다.
- 전자의 전하가 핵에 존재하는 양전하를 보상하기 때문에 원자의 순 전하는 0입니다.
러더퍼드의 계산은 구형 10의 소형 반경 핵 가리키는 -15 핵 비교적 멀리 떨어져 있기 때문에, m, 약 10 배 크다 원자 반경의 값이 10 정도의 -10 미디엄.
젊은 어니스트 러더 포드. 출처 : 알 수 없음, 1939 년 Rutherford에서 출판 : Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M의 삶과 편지
이것은 대부분의 알파 입자가 시트를 매끄럽게 통과하거나 거의 편향되지 않은 이유를 설명합니다.
일상적인 물체의 규모로 볼 때 러더 포드 원자는 야구 공만한 크기의 핵으로 구성되고 원자 반경은 약 8km가되어 원자는 거의 모든 것을 빈 공간으로 간주 할 수 있습니다.
소형 태양계와 닮았 기 때문에 "원자의 행성 모델"로 알려지게되었습니다. 핵과 전자 사이의 정전기 인력은 태양과 행성 사이의 중력 인력과 유사합니다.
한계
그러나 일부 관찰 된 사실에 대해 일부 의견 차이가있었습니다.
- 전자가 핵 주위를 공전한다는 생각이 받아 들여지면 전자는 핵과 충돌 할 때까지 계속해서 방사선을 방출해야하므로 결과적으로 1 초도 안되는 시간에 원자가 파괴됩니다. 다행히 이것은 실제로 일어나는 일이 아닙니다.
- 더욱이, 특정 경우에 원자는 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전환 될 때 특정 주파수의 전자기 복사를 방출하고 다른 주파수는 방출하지 않습니다. 에너지가 양자화된다는 사실을 설명하는 방법은 무엇입니까?
이러한 한계에도 불구하고 오늘날 관찰 된 사실과 일치하는 훨씬 더 정교한 모델이 있기 때문에 러더 포드의 원자 모델은 학생이 원자와 그 구성 입자에 대한 성공적인 첫 번째 접근을하는 데 여전히 유용합니다.
이 원자 모델에서는 1932 년까지 발견되지 않은 핵의 또 다른 구성 요소 인 중성자가 나타나지 않습니다.
러더 포드가 그의 행성 모델을 제안한 직후, 1913 년 덴마크의 물리학 자 닐스 보어는 원자가 파괴되지 않는 이유를 설명하기 위해 그것을 수정했고 우리는 여전히이 이야기를하기 위해 여기에 있습니다.
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참고 문헌
- Rex, A. 2011. 물리학의 기초. 피어슨. 618-621.
- Zapata, F. 2007. Radiobiology and Radiological Protection의 위원장을위한 수업 노트. 베네수엘라 중앙 대학교 공중 보건 학교.