러더퍼드 모델

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러더포드 모델은 뉴질랜드 태생의 물리학자 어니스트 러더포드가 원자를 묘사하기 위해 고안한 것이다. 러더포드는 1909년 가이거-마르스덴 실험을 지휘했는데, 이 실험은 러더포드의 1911년 분석 결과 J. J. 톰슨의 원자의 자두 푸딩 모델이 부정확하다는 것을 시사했다. 러더포드의 새로운 원자에^[1] 대한 모델은 실험 결과에 기초하여 비교적 높은 중심 전하가 나머지 원자에 비해 매우 작은 부피에 집중되어 있는 새로운 특징을 포함하고 있으며, 이 중심 부피와 함께 원자의 원자 질량의 대부분을 포함하고 있다. 이 지역은 원자의 핵으로 알려져 있을 것이다.

모형에 대한 실험 기준

러더포드는 1911년에 톰슨의 모형을 잘 알려진 금박 실험으로 뒤집었는데, 이 실험에서 원자는 작고 무거운 핵을 가지고 있다는 것을 증명했다. 러더포드는 방사성 원소가 방출하는 알파 입자를 보이지 않는 원자 구조의 세계에 대한 탐사로 사용하기 위한 실험을 설계했다. 톰슨이 맞다면 빔은 금박을 뚫고 곧장 지나갈 것이다. 대부분의 보가 호일을 통과했지만 몇 개는 굴절되었다.

러더포드는 예상치 못한 실험 결과에 대한 해석으로 아원자 구조에 대한 자신만의 물리적 모델을 제시했다. 그 속에서 원자는 중심 전하(이것이 현대의 원자핵이지만, 러더포드는 그의 논문에서 핵이라는 용어를 사용하지 않았다)로 이루어져 있으며, 이는 (확실히) 궤도를 선회하는 전자의 구름에 둘러싸여 있다. 1911년 5월 이 논문에서 러더포드는 원자에서 양전하 또는 음전하가 매우 높은 작은 중심부에만 전념했다.

구체성의 경우, N 전자의 보정 전하에 둘러싸인 양의 중심 전하 N e를 가진 원자를 통해 고속 α 입자의 통과를 고려한다.^[2]

알려진 속도의 입자가 중심 전하 100 e를 향해 얼마나 멀리 침투할 수 있을 것인가에 대한 순전히 에너지적인 고려에서, 러더포드는 그의 금 중심 전하 반경이 3.4 × 10미터보다⁻¹⁴ (얼마나 더 적게 말할 수 없는) 더 작아야 할지를 계산할 수 있었다. 이것은 반경 10미터⁻¹⁰ 정도인 것으로 알려진 금 원자 안에 있었다. 그것은 원자 직경의 1/3000 미만의 강한 중심 전하를 암시했기 때문에 매우 놀라운 발견이었다.

러더포드 모델은 원자의 전하와 질량을 아주 작은 핵에 많이 집중시키는 역할을 했지만, 어떤 구조도 남아 있는 전자와 남아 있는 원자 질량에 귀속시키지 않았다. 그것은 토성의 안정된 고리의 특정한 은유적 구조를 가진 하나 이상의 고리에 전자가 배열되어 있는 나가오카 한타로의 원자 모델을 언급했었다. J. J. 톰슨의 매실 푸딩 모델에도 궤도를 선회하는 전자 고리가 있었다. 장 비티스트 페린은 노벨 강연에서^[3] 1901년 자신의 논문에서 자신이 이 모델을 제안한 첫 번째 사람이라고 주장했다. 그러나 실제로 물리학자 조셉 라모르는 1897년에 원자의 첫 태양계 모델을 만들었다. ^[4]

러더포드 논문은 원자의 중심 전하가 수소 질량 단위 u(거의 1/2 정도, 러더포드의 모델)로 원자 질량에 "비례적"일 수 있다고 제안했다. 금의 경우 이 질량 숫자는 197(당시에는 매우 정확하게 알려져 있지 않음)이며 따라서 러더포드에 의해 196 u로 모델링되었다. 그러나 루더포드는 원자 번호에 중앙 전하를 직접 연결하려는 시도를 하지 않았는데, 이는 금의 "원자 번호"(당시에는 주기율표에서 단지 그 위치 번호에 불과할 뿐)가 79였고, 러더포드는 그 전하를 약 +100 단위(실제 그는 196의 절반을 만들도록 98 단위의 양전하를 제안했었다)로 모델링했기 때문이다. 따라서 러더포드는 공식적으로 두 숫자(주기적 식탁장소 79와 핵부담금 98 또는 100)가 정확히 같을 수 있다고 제안하지 않았다.

러더포드의 논문이 등장한 지 한 달 후, 원자 번호와 핵 전하의 정확한 정체성에 관한 제안은 안토니우스 판 덴 브룩에 의해 이루어졌고, 이후 헨리 모슬리에 의해 2년 안에 실험적으로 확정되었다.

주요 지표는 다음과 같다.

• 원자의 전자구름은 알파 입자 산란에 영향을 주지 않는다.
• 원자의 양전하 대부분은 오늘날 핵으로 알려진 원자의 중심에 있는 비교적 작은 부피에 집중되어 있다. 이 전하의 크기는 원자의 원자 질량의 약 절반에 비례한다. 이제 남은 질량은 대부분 중성자에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이 농축된 중심 질량과 전하량은 알파 입자와 베타 입자를 모두 비껴가는 역할을 한다.
• 금과 같은 무거운 원자의 질량은 대부분 중심 전하 영역에 집중되어 있는데, 계산상 전자에 비해 운동량이 매우 높은 고속 알파 입자에 의해 굴절되거나 이동되지 않는 것으로 나타나기 때문이다.
• 원자 자체는 핵의 지름의 약 10만 배이다⁵.^[5] 이것은 축구장 한가운데 모래알을 넣는 것과 관련이 있을 수 있다.^[6]

현대 과학에 대한 공헌

러더포드의 발견 이후, 과학자들은 원자가 궁극적으로 하나의 입자가 아니라 훨씬 더 작은 아원자 입자로 이루어져 있다는 것을 깨닫기 시작했다. 그 후의 연구는 러더포드의 금박 실험으로 이어진 정확한 원자 구조를 알아냈다. 과학자들은 결국 원자 중심에서는 약 120×10−15미터×[원자 질량 수].mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.frac .num,.mw-parser-output.frac .den{의 반경이 양극을 핵(전하의 정확한 원자 번호와 함께)것을 발견했다.Font-size:80%;line-height:0;vertical-align:슈퍼}.mw-parser-output.frac .den{vertical-align:서브}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1⁄3. 전자는 훨씬 더 작은 것으로 밝혀졌다.

후에 과학자들은 X선을 이용하여 원자에서 예상되는 전자 수(원자 수와 동일)를 발견했다. X선이 원자를 통과할 때 일부는 흩어지고 나머지는 원자를 통과한다. X선은 주로 전자에 산란하여 강도를 잃기 때문에 X선 강도 감소 속도를 주목함으로써 원자에 포함된 전자 수를 정확하게 추정할 수 있다.

상징성

러더포드의 모델은 나가오카 당, 링에 있는 많은 전자에 대한 아이디어로 미루어졌다. 그러나 일단 닐스 보어가 이 관점을 가벼운 원자에 대한 몇 개의 행성 같은 전자 그림으로 수정하면, 러더포드-보어 모델은 대중의 상상력을 사로잡았다. 그 후, 원자와 심지어 "원자" 에너지의 상징으로 계속 사용되어 왔다. (이것이 더 적절하게 원자력 에너지로 간주됨에도 불구하고) 지난 세기에 걸친 그것의 사용의 예는 다음과 같으나 이에 국한되지는 않는다.

• 특히 핵분열 기술과 관련하여 나중에 사용하게 된 미국 원자력위원회의 로고는 부분적으로 책임이 있다.
• 국제원자력기구(IAEA)의 국기는 올리브 가지에 둘러싸인 러더퍼드 원자다.
• 미국 마이너리그 야구 앨버커키 동위원소 로고는 러더포드 원자로 전자 궤도가 A를 형성하고 있다.
• 비슷한 상징인 원자 소용돌이가 미국 무신론자들의 상징으로 선택되었고, 일반적으로 무신론의 상징으로 쓰이게 되었다.
• 유니코드 기타 기호 코드 포인트 U+269B(⚛)는 러더포드 원자를 사용한다.
• 텔레비전 쇼 빅뱅 이론은 로고로 러더포드 원자를 사용한다.
• 자바스크립트 라이브러리 리액션(JavaScript 라이브러리)은 러더포드 원자를 로고로 사용한다.
• 지도에서는 일반적으로 원자력 발전소 설치를 표시하기 위해 사용된다.

참조

외부 링크

• 레이먼드 칼리지의 러더포드의 모델
• 규슈 대학의 러더포드의 모델