원자에 대한 초기 실험들

돌턴, 게이뤼삭, 아보가드로 그라고 여러 명의 화학자의 연구를 바탕으로 화학은 미궁의 학문으로부터 점점 벗어나게 되며 어느 정도 틀이 잡힌 학문이 되어가고 있었다. 원자라는 개념은 매우 획기적인 가설이었으며 당시 화학자들에게 매우 훌륭한 아이디어로 평가받고 있었다. 따라서 화학자들은 자연스레 원자에 대해 세부적인 연구를 진행하게 되었다. 따라서 이번엔 원자의 구성을 알아보는 연구의 조사와, 그러한 실험들로 인해 발전하게 된 것들에 관해 소개를 해보겠다.



원자의 구성을 이해하기 위한 최초의 중요 실험을 실시한 사람은 영국의 물리학자 톰슨이었다. 그는 음극선관이라고 하는 진공관 내에서의 일어나는 전기 현상에 대해 실험을 진행 중이었다. 톰슨은 진공관에 높은 전압이 가해질 시 광선이 발생하는 것을 목격하였는데, 이 광선은 음극에서 방출된다는 특징을 통해 음극선이라는 이름으로 명명되었다. 톰슨은 광선에서 방출되는 음극선이 외부에서 가해지는 음극의 전기장으로 발발된다는 것을 통해 음극선을 음으로 대전 된 입자, 즉, 전자라고 생각하였다. 톰슨의 음극선 실험의 주목표 중 하나는 원자의 구조를 이해하는 것이었다. 전자는 다양한 종류의 금속으로 만들어진 전극으로부터 발생한다는 것을 통해 전자는 원자의 기본적인 구성요소임을 추론하였다. 또한 당시에 원자가 전기적 중성이라는 사실이 밝혀졌었기에 전기적 중성을 유지하기 위해선 전자뿐만 아니라 양전하 또한 포함되어야 함을 가정하였다. 이러한 가설을 바탕으로 톰슨은 넓게 퍼져있는 양전하 구름을 바탕으로 그 안에 음전하가 무질서하게 박힌 모양을 원자의 기본구조로 추론하였다. 영국의 유명한 전통 음식인 자두 푸딩은 건포도가 푸딩 여기저기에 박혀있는 모습이 마치 톰슨 원자의 기본구조 가설과 비슷하여 건포도를 음전하, 푸딩을 양전하라 보아 자두 푸딩 모형으로 불리기도 하였다. 이후 미국의 한 과학자의 연구를 통해 전자의 직접적인 전하량을 측정할 수 있었으며 전자의 질량을 9.11×10*-31킬로그램으로 계산까지 성공하였다. 이러한 발견들 이후에 과학자들은 특정 원소들로부터 에너지의 방사가 일어남을 확인할 수 있었다. 예를 들면 우라늄은 빛이 차단된 상태에서도 방사를 통해 감광판에 영상을 맺게 한다. 이러한 현상이 우라늄으로부터 나오는 에너지의 자발적인 방사라고 보고 이를 방사능이라고 명명하였다. 20세기 초반에 이르자 방사능 방출에는 감마선, 베타입자, 알파 입자의 세 종류가 존재함을 발견했고, 그중에서도 초기의 중요한 실험에 가장 많이 쓰인 알파입자의 전하는 2+고 전자의 두배 전하를 지니고 있었으며 위에서 언급한 전자의 질량보다 약 7300배 컸다. 이러한 알파입자의 특징을 이용해 러더퍼드는 방사능에 대한 여러 실험을 진행하던 와중 톰슨의 자두 푸딩 모형에 대한 입증을 진행하기 위한 실험을 설계했다. 실험은 간단했다. 금속 박막으로 되어있는 막에다 알파 입자를 산란시켜 그 궤도를 확인하는 것이었다. 러더퍼드는 톰슨의 가설이 정확했다면 알파입자는 그 궤도가 바뀌지 않고 대부분 직진할 것이며 바뀌더라도 매우 미세하게 틀어질 것이라고 예상하였다. 그러나 실험의 결과는 러더퍼드의 예상과는 다르게 알파입자 대부분이 직진하였으나 몇몇 입자는 궤도가 아예 틀어진 경우가 있었다. 이러한 놀라운 실험 결과를 통해 러더퍼드는 이러한 푸딩 모형이 잘못되었으며 알파입자가 크게 휘기 위한 조건은 양전하와 질량들이 서로 집중되어 존재하는 공간이 있어야 하는 것이었다. 만약 이러한 경우를 가정하게 된다면 대부분의 공간은 알파입자가 통과할 것이고 몇몇 알파입자만이 궤도가 크게 바뀌는 현상이 나타날 수 있었다. 따라서 러더퍼드는 이러한 내용을 통해 핵 원자 개념을 도입했다. 핵 원자 개념이란 양전하와 질량이 밀도가 높게 집중되어 있는 곳을 핵이라 가정하고 전자는 그 핵을 중심으로 원의 반지름 길이만큼 멀리 떨어진 상태로 궤도를 회전하는 형태를 상상한 것이다. 이러한 둘의 실험을 통해 원자의 구조에 대한 견해는 매우 넓어지게 되었고 현재 원자에 대한 현대적 관점으로는 아주 작은 핵을 중심으로 평균 10*-8센티미터 떨어진 거리에서 핵 주위를 도는 전자로 구성되어 있다. 핵은 크게 양성자와 중성자로 나눌 수 있는데, 전자의 전하량과 같은 크기의 전하를 띄고 있는 양성자, 양성자와 같은 질량을 가졌지만 0인 중성자로 구성되어 있다. 핵은 크기가 놀라울 정도로 작지만 그만큼 엄청나게 크다는 것이다. 핵의 질량에 원자의 거의 모든 질량이 집중되어 있다고 해도 과언이 아니다. 여기서 우리는 궁금한 게 생기는데, 이러한 원자의 구조가 모두 같다면 서로 성질이 다른 물질들은 어떻게 생기는가이다. 답은 전자배치의 구조에 따라 달라진다는것이다. 원자가 가지고 있는 전자의 수는 다른 원자와 반응하는 역할에 큰 영향을 끼친다. 따라서 서로 다른 원자들은 전자의 수가 서로 다르기에 서로 다른 성질을 띤다고 보면 된다. 소듐 원자는 핵에는 11개의 양성자가 존재한다. 원자는 전기적 중성을 이루어야 하므로 양성자는 전자와 같은 수로 존재한다. 따라서 소듐 원자에는 무조건 11개의 전자와 11개의 양성자가 존재해야 한다. 하지만 소듐 원자의 핵에 있는 중성자의 수는 바뀔 수 있다. 예를 들어 한 소듐 원자의 중성자는 12개라면 또 다른 소듐 원자의 중성자는 13개인 경우가 존재한다는 것이다. 우리는 이러한 경우를 동위원소라고 부르며 중성자의 개수는 다르지만 자체는 똑같기에 화학적 성질은 동일하다.