원 자 론서 론지구상에서 발견되는 대부분의 물질들은 원소가 아니기 때문에 그것들을 구성하고 있는 여러 가지 원소들로 쪼갤 수 있다. 원소들의 조합으로 이루어진 그러한 물질들을 화합물이란의미에서 원자가 유래한다.고대 그리스 철학자들은 세계가 무엇으로 만들어졌는지 궁금해 하였다. 분명히 그것은 수많은 종류의 것들로 만들어졌지만 과학자들은 항상 간결화하고 싶은 충동을 느꼈다. 그러므로 세계는 몇 가지 기본 물질(또는 몇 가지 매우 소수의 물질들)로 만들어졌고 그 밖의 모든 것들은 한 가지 또는 다른 것들의 변형이라고 생각하였다.탈레스(Thales, ca 640-546 B.C.)는 물이 모든 것을 형성하는 기본 물질이라고 제안한 최초의 그리스 철학자이다. 아낙시메네스(Anaximenes, 570-500 B.C.)는 그것이 공기라고 생각하였다. 또 헤라클리투스(Heraclitus, ca 535-475 B.C.)는 그것이 불이라고 생각하였고 등등이었다.이러한 제안들에는 실제 증거가 전혀 없었으므로 어느 한 가지를 옳다고 선택할 방법이 없었다. 그리스의 철학자 엠페도클레스(Empedocles, 495-435 B.C.)는 이 문제를 절충에 의하여 해결하였다. 그는 세계가 몇 가지 서로 다른 기본 물질들 : 불, 공기, 물, 흙으로 이루어졌다고 제안하였다. 여기에다 아리스토텔레스는 빛나는 천체를 구성하는 특별한 물질로서 에테르( 타는듯한 이란 의미의 그리스어)를 추가하였다.이러한 기본 물질들을 기원을 알 수 없는 라틴어로부터 받아들여서 영어로는 원소라고 부른다. (영어에서는 아직도 비가 퍼붓고, 바람이 불고, 번개불이 번쩍이는 폭풍을 표현할 때 원소들의 노여움 이라고 한다.)여러 가지 원소들의 개념을 받아들인 원자론자들은 각 원소는 서로 다른 유형의 원자들로 구성되며 세계는 네 가지 서로 다른 유형의 원자들이 모여서 구성되며 천계를 구성하는 다섯번째 원소 에테르가 존재한다고 가정하였다.네 가지 유형의 원자들만을 가지고도 지구상의 수 많은 다양한 물체들을 설명할 수 있었다. 단)원소설은 원자론이 앞으로 진행하여 나갈수록 더 희미해지기 시작하였다. 1661년에 보일은 의심많은 철학자 라는 책을 저술하였는데 그 책에서 세계의 기본 물질들이 존재할 것이라 가정하는 것은 소용없는 것이라는 입장을 취하였다. 실험에 의하여 나타나는 것만을 가지고 결정하여야 하였다. 화학적 조작에 의하여 더 간단한 물질로 쪼개질 수 없는 모든 물질들은 원소이었다. 더 간단한 성분들로 쪼개질 수 있는 물질은 원소가 아니었다.이것은 원칙적으로 논박할 수 없었지만, 실제로는 결코 쉬운 일이 아니었다. 어떤 물질들은 더 간단한 물질로 쪼개질 수 없는 원소같이 생각되었지만 화학이 발전하여 그것을 쪼갤 수 있는 시대가 왔다. 그리고 한 물질이 다른 것으로 변화하였을 때 둘 중의 어느 것이 더 간단한 것인지 결정하는 것이 항상 쉬운 일은 아니었다.1그럼에도 불구하고 보일로부터 시작하여 삼세기에 걸쳐서 화학자들은 원소라고 확인될 수 있는 물질들을 찾느라고 고생하였다. 이러한 과정에서 찾아낸 원소로서 우리에게 친숙한 물질들의 예로는 금, 은, 구리, 철, 알루미늄, 크롬, 납 및 수은이 있다. 수소, 질소 및 산소같은 기체들도 원소이다. 공기, 물, 흙 및 불은 원소가 아니다.오늘날에는 106가지의 원소가 알려져 있다. 그들 중에서 83가지는 지구상에서 천연적으로 상당한 양이 발견되며, 나머지 23가지는 아주 희귀하거나 실험실에서 합성된 후에만 존재한다. 이것은 106가지의 서로 다른 원자들이 알려져 있다는 것을 의미한다.본 론아래의 다섯가지 실험유형을 통한 원자의 설명1. Dalton의 원자론과 화학 결합의 법칙2. 톰슨의 실험3. 러더퍼드 실험4. Bohr의 원자 모형5. 파동함수와 전자구름1. Dalton의 원자론과 화학 결합의 법칙이 이론은 질량 보존의 법칙을 잘 설명하였다. 화학반응에서 원자들이 재배치되기만 하고 원자가 하나도 없어지지 않는다면 반응이 일어나더라도 계의 전체 질량이 일정하게 유지될 것이다이 이론은 또한 일정 성분비의 법칙도 잘 설명하여 준다. 이것을 성되어 있지만 하나의 자동차라고 보는 것과 같다.) 또한 원자A의 질랑은 원자B의 질량의 두배나 되다고 가정해 보자. 그러면 이 물질 한 분자 속에 들어 있는 A의 질량은 B의 두 배가 되며, A와 B의 질량비는 2/1이 될 것이다. 이러한 분자들의 큰 집단을 생각하더라도 그 속에 들어있는 원자 A 와 원자B의 수는 같을 것이며, 따라서 시료의 크기에 관계없이 항상 질량비(A 대 B)가2/1이 될 것이다. 또한 A와B를 반응시켜서 이 화합물을 만들 때는 A의 각 원자가 B의 한 원자하고만 결합할 것이다. 만약 원자 A 100개와 원자B 110개를 혼합시키면 반응이 끝난 후에 B원자 10개가 반응하지 않고 남을 것이다.더 나아가서 우리는Dalton의 원자론으로부터 다음과 같은 생각을 할 수 있다. 즉 동일한 두 종류의 원소로부터 성질이 서로 다른 두 가지 화합물이 생길 수 있다고 생각하자. 실제로 우리는 탄소와 산소로부터 일산화탄소와 이산화탄소라고 하는 성질이 전혀 상이한 두 가지2화합물이 생길 수 있다는 것을 알고 있다. 이 두 화합물의 질량 조성을 분석한 결과에 의하면 일산화탄소에서는 1.33g의 산소가 1.00g의 탄소화 결합하고 있으며, 이산화탄소에서는 2.66g의 산소가 1.00g의 탄소와 결합하고 있다. 따라서 일정한 질량의 탄소(1.00g)와 결합하는 산소의 질량비(1.33g/2.66g)를 조사해 보면 다음과 같이 간단한 정수의 비가 성립함을 알 수 있다.1.33/2.66= (1.33/1.33)/(2.66/1.33)이산화탄소에서는 일산화탄소에서보다 두배의 산소원자가 탄소원자와 결합하고 있는데, 이것은 이산화탄소 한 분자 속에 들어있는 산소의 질량은 일산화탄소 한 분자 속에 들어 있는 산소의 질량의 두배가 된다는 것을 뜻한다. Dalton의 원자론에 입각해서 일산화탄소에서는 탄소원자와 산소원자가 1대1로 결합된 분자라고 생각하자. 만일 원자가 화학 반응에 참여하는 최소 단위의 알맹이라고 하면 탄소원자와 산소원자가 1대2로 결합된 분자도 가능할 것이다.력의 기체에 전기전도성이 있다는 방전관의 원리는 1821년에 발견되었다. 낮은 입력의 기체가 들어 있는 유리관의 양끝에 양전극을 설치하고 수 천 볼트의 고압력으로 방전시키면 관 내부에서 기체마다 특이한색의 빛을 방출하게 된다. 이 빛은 음극에서 방출되어 양극으로 이동하기 때문에 음극선(cathode ray)이라고 부른다.톰슨은 1897년 이음극선을 이용하여 일정 세기의 자장에서 수직으로 일정한 속도로 운동하는 전자살(electron beam)이 나타내는 곡률을 측정함으로써 전자의 전하질량을 측정해낼 수 있었다.이 실험의 원리는 운동하는 대전입자는 전자기적 힘에 의해서 원을 그리게 되며 이 힘을 받게 되고 곡률 반지름은 작아진다. 한편 입자의 진로는 질량에 의존성이 있으므로 전하가 같은 경우,무거운 입자는 가벼운 입자보다 가속이 덜 되어 그만큼 곡면은 덜 구부러지게 된다. 이런 전자살의 곡률의 차이로부터 전자의 전하에 대한 질량 비(Q/m)를 알아낼 수 있었다. 그가 구한 전자의 Q/m값은 1.76*10^8coulombs/gram으로 물질의 종류와 관계없이 일정하였다.이 사실은 물질에 존재하는 전자는 동일하다는 것을 의미한다. 이 실험을 통해서 단지 전자와 질량의 비만을 측정할 수 있었고 Q와m의 두 가지 값을 알기 위해서는 다른 실험을 행하여야만 하였다.33. 러더퍼드 실험원자는 전기적으로 중성이므로 양전하는 이 원자내의 전자의 음전하와 같아야 한다. 이 양전하와 질량이 원자내에 어떻게 분포되어 있는가를 확인하기 위하여 1910년 러더퍼드는 알파입자살을 얇은 금속박에 쪼여 알파입자가 황화아연, ZnS스크린에 부딪치면 눈으로 볼 수 있는 섬광이 생긴다. 이 황화아연 스크린의 여기 저기에서 생기는 섬광의 위치를 관찰함으로써 얇은 금박을 투과하는 입자 하나하나의 진로를 알 수 있었다. 대부분의 알파입자는 직진하였으나 극히 일부의 일파입자는 직진을 하지 못하고 굴절되거나 반대로 튕겨져 나오는 산란현상을 나타내었다.원자전체의 반지름은 핵의 10^5배 이상이나 되며 이 대부분의 알파입자는 핵에 부딪히지 않고 이 금박을 곧장 통과하게 되어 핵의 영향을 받지 않는다. 그러나 원자핵 근처를 지나게 되는 알파입자는 같은 양전하 때문에 핵의 심한 반발을 받게 되고 이 핵에 가깝게 통과하는 입자는 넓은 각도로 살란된다. 매우 드물지만 핵에 정면 충돌하는 입자는 후방으로 산란하게 된다.이것으로 원자는 매우 작은 공간을 점유하는 원자핵과 텅 빈 공간을 전자가 운동하고 있음을 알게 되었다. 후에 실제 원자의 반지름은 핵 반지름의 약 100,000배임이 밝혀 졌다.4. Bohr의 원자 모형스펙트럼이 나타나는 원인을 처음부터 원자 내부의 전자 운동으로 설명하려고 시도하였지만 모두 완전히 실패하였다. 1913년에 이르러 Niels Bohr는 수소 원자에 대한 이론적 모형을 제안하고, 이 모형을 이용해서 수소 원자의 스펙트럼을 성공적으로 설명하였다. 수소원자는 전자 1개가 핵 주위를 운동하고 있는 가장 간단한 원자이다. 이 전자는 마치 유성이 태양 주위를 일정한 궤도에 따라 회전하듯이 핵 주위를 회전한다고 Bohr는 생각하였다.이러한 궤도를 따라 운동하는 전자는 정상 상태에 있다고 말하는데 정상 상태에 있는 전자는 다음과 같은 에너지만을 가질 수 있다고 Bohr는 가정하였다.원자의 에너지는 핵과 전자들이 갖는 에너지의 합이다. 핵에너지는 보통의 경우 변하지 않고 일정하며 ,전자의 에너지는 양자수에 의해서 결정된다. 따라서 수소원자와 같이 전자를 하나만 가지고 있는 경우에는 이 전자의 에너지 준위가 곧 원자의 에너지 준위가된다. 수소원자가 에너지를 흡수하면 그의 전자에너지가 한 준위로부터 다른 높은 준위로 올라가며, 전자가 낮은 에너지 준위로 떨어질 때는 두 준위 사이의 차와 맞먹는 에너지가 방출된다.한 정상 상태에 머물러 있는 수소원자는 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다.Bohr는 수소 원자가 빛을 흡수하므로써 들뜨는 데 필요한 에너지를 얻는 다고 가정 하였다. Max Planck와 Albert Einstein이 밝힌바에 의하면 빛은 파동성과
