4장 물질의 입자성
4.1 물질의 원자적 성질 4.2 원자의 구성
4.3 보어원자
4.4 보어의 대응 원리
4.5 원자 에너지 준위의 직접적인 확인
4.1 물질의 원자적 성질
불분명했던 입자의 발견과 증명이 흥미로운 이유
1.
원자 성질에 대한 측정은 일반적으로 간접적이고 미시적인 원자의 성질을 알아보기 위해 큰 크기의 측정기기를 솜씨 있게 작동시켜야 한다.2.
원자에 대한 개념의 역사적인 발전은 과학이 진보해 가는 실질적 인 방법을 보여준다•
이러한 진전은• 종종 비선형적이고
• 물리, 화학, 수학의 상호 의존과 서로 다른 연구들의 수렴을 내포하게 된다
위대한 원자학자들
데모크리토스와 루시프스
•
변하지않는 실체는 운동하는 원자이다 라브와지에와 그의 부인
•
주의 깊은 화학실험을 통해 물질의 보존을 확립 돌턴
•
화합물의 다중 비례 법칙에서 자연의 원자성을 파악 아보가드로
맥스웰
페팽 , 아인슈타인
•
브라운 운동을 설명4.2 원자의 구성
만약에 물질이 주로 원자들로 이루어져 있다면 원자들은 무엇으로 이루어져 있는가 ?
•
1833년 패러데이• 전기분해법칙을 발견
•
1897년 톰슨• 음극선이 전자임을 확인
• 이들 입자의 전하 대 질량비
e / m
e를 측정•
1909년 밀리컨• 전자의 전하량
e를 측정
•
1913년 러더포드와 그의 제자 가이거와 마르센• 핵의 존재를 확인
패러데이의 전기분해
용해된 소금의 전기분해
•
패러데이는 96,500 C의 전하(1 패러데이)가 용액을 지나면 음극에 23.0 g의 나트륨이 축적양극에 35.5 g의 염소기체가 발생함을 발견
나트륨과 염소는 1가 원소이다
패러데이 전기분해 공식
Q M
m F z
Q : 쿨롱 단위의 지나간 전하량 M : 몰질량
z : 물질의 원자가
예제 4.1 BaCl 2 의 전기분해
용해된 BaCl 2 에 10.0 A의 전류를 한 시간 동안 흘려주면, 얼마
나 많은 바륨과 염소를 얻게 되는가 ? 바륨의 몰 질량은 137g
이고 원자가는 2이다. 염소의 몰 질량은 35.5 g이고 원자가는
1이다
패러데이의 전기분해
패러데이의 전기분해 법칙이 확인시킨 원자 성질
•
물질이 분자로 이루어져 있고• 분자는 원자들로 구성되어 있음을 증명
•
전하의 정수배만이 전극에 전달• 전하가 양자화되어 있음을 보였다.
•
아원자 입자의 질량과 전하의 크기는 알지 못한다고 할지라도• 원자의 아원자 부분이 양(+), 그리고 음(-)의 전하임을 보였다.
톰슨의 발견
1897년 저압 기체 방전에서 보인 광선
•
실제로는 음(–)의 입자(전자)에 의한 것임을 발견•
톰슨과 다른 과학자들의 고민• 전자가 모든 물질의 기본 구성요소라고 생각하지 않음
• 원자는 더 나눌 수 없는 단위라는 개념을 포기해야 하므로
e / m e 의 측정
편향의 크기와 B 와 의 측정값으로 를 측정
E e m /
etan
yx
v
v
eE ev B
x xE V v
B
Bd
F eE m a
e y y ye e x
eE e V v a t t
m m d v
tan 2
x e
V e v d m
2
2 x
e
v d
e V
m V B d
예제 4.2 전자 빔의 편향
θ = 0.20 rad V = 200 V ℓ = 5.0 m d = 1.5 cm
지구의 자기장 0.5 Gauss
2
2 x
e
v d
e V
m V B d
11
4
(200)(0.20)
( / ) (0.05)(0.015)(1.76 10 ) 5.5 10 T 5.5 Gauss
e
B V
d e m
톰슨의 e 측정
1897년 톰슨
•
와 를 독립적으로 결정할 수 없다•
의 값• 자외선을 쪼여준 아연으로부터 방출된 전하 2.3 10 C
• X-선과 라듐 방출에 의해 생성된 전하 1.1 10 C
• 용액의 전기 분해에서 수소 원자에 의해 운반된 전하와 크기가 같다
•
톰슨과 그 학생들이 e를 측정하기 위해 사용한 기술• 구름 상자 기술을 처음 사용
• 밀리컨 기름 방울 실험의 시작점을 제공
윌슨의 안개상자
월슨
•
습한 공기(damp air)가 급속 팽창으로 과냉각될 때이온들이 물방울의 응집핵으로 역할을 한다는 것을 발견
•
톰슨은 이 장치를 사용하여 전하를 띤 구름을 형성•
Q : 구름의 전체 전하
•
W : 측정된 구름의 무게
•
v : 떨어지는 비율, 종단 속도
e 를 발견하기 위한 톰슨의 실험
전하를 띤 구름
•
톰슨은 구름은 일정한 전하를 가진 구형 방울로 이루어져 있고 떨어지는 하나의 방울에 작용하는 끌림력D가
중력과 평형을 이루면 종단속도
v에 다다른다고 생각
•
방울의 수n = W / w
•
전하의 수e = Q / n
문제점
•
각각의 방울이 단지 하나의 전기 전하를 운반한다고 가정•
하나의 입자에만 적용•
구름에 있는 모든 물방울들이 같은 크기라고 가정6
D a v
: 공기의 점성4 3
(3 ) 6
w mg
a g
a v
9 2a v
g
밀리컨
실험과 이론을 맞추는 탁월한 직관을 가진 과학자
•
하나의 방울을 관측 모든 입자가 동일하게 취급될 수 있도록 했다
밀리컨의 기본개념
•
중력과 끌림력이 작용하는 하나의 방울이 떨어지는 비율 측정•
방울의 반지름과 질량을 결정하기 위해• 스토크의 법칙 적용 전기장에 대항하여
위로 올라가는 속도 측정
• 개별 방울의 전체 전하 측정
밀리컨 실험의 정성적 해석
장이 없을 때 장이 있을 때
•
위로 향하는 속력이 으로 불연속적으로 변하면 연속적인 속력비가 정수비라면
y 0
F
0
Cv mg
y 0
F
1 1 0
q E Cv
mg
1 1
mg v v
q E v
2 2
v v q mg
E v
1 1
2 2
q v v q v v
원자의 실체 탐구
원자의 실체를 밝히기 위한 노력
•
1872년 맥스웰• 정밀한 조건에서 처음부터 존재하여 아직까지 남아있는 것은 원자다
•
1899년 톰슨• 전자의 발견 원자를 더 나눌 수 있다고 발표
•
퀴리와 러더포드• 방사능 실험의 위대한 업적
•
소리• 원소의 방사능 변환을 설명
•
레나르트 실험• 전자가 얇은 금속과 운모 박막을 쉽게 통과 원자의 다공성 발견
1898년 톰슨의 건포도 푸딩 모형
러더포드의 실험
러더포드의 그의 학생 가이거와 마르스덴
•
1909년 ~ 1914년•
조준된 α 입자 빔이 금속 박막을 통과할 때 넓게 퍼지는 것을 관찰 원재 내의 질량 분포를 알기 위한 실험을 시작
•
대부분의 원자 질량과 모든 양(+)전하가 원자의 중심부의 핵에 있다는 사실을 발견 러더포드의 실험장치
•
2×107 m/s의 속력으로 잘 조준된 α 입자빔•
얇은 금 박막을 때림• 대부분의 α 입자는 직진 (원자의 다공성)
• 일부는 ϕ 각도로 산란
•
각각의 가도에서 단위 시간당 단위검출기 면적당 산란되는 α 입자의 수 측정
러더포드의 가정
원자 내의 모든 양 (+)전하가 원자 내의 중심 위치 에 응축되어 있다고 가정하면
• 정면에서 충돌하는 α 입자가 받는 전기적 반발력은 매우 크다
금 원자의 전하와 질량이 핵의 중심에 집중
• α 입자
무거운 핵과 한 번만 충돌하더라도
큰 각도로 편향할 수 있다
예제 4.4 α 입자와 양성자의 충돌
(a) 질량 m α , 속력 v α 인 α 입자가 질량 m p 인 정지 상태의 양성 자에 정면 탄성 충돌
운동에너지 보존
운동량 보존
(b) 양성자와 충돌한 α 입자의 속도 변화는?
2 2 2
1 1 1
2
m v
2m v
2m v
p pa a a p p
m v
m v
m v
2 2 2 2
( m v
) ( m v
m v
p p) ( m v
) 2 m m v v
p p ( m v
p p)
2 2 2
(
m v
)m m v
( m v
p p)2 a
p
p
v m v
m
m
a p
p
m m
v v
m m
4 p
m
m v
p
1.60v
v
0.60 v
0.40 40%
v
v
러더포드의 결과
큰 각도의 산란이 하나의 핵 충돌에 의해 생긴다고 가정
거리 r 만큼 떨어진 α 입자와 핵 사이의 반발력
각도 ϕ에서 단위 시간당 검출기로 들어가는 α 입자의 수
• N :
박막의 단위면적당 핵의 수(
박막두께에 비례)
• n :
단위 시간당 표적으로 입사되는α
입자의 수• A :
검출기의 단면적 가이거와 마르스덴
2
(2 )( ) e Ze F k r
2 2 4
2 1 2 2 4
2
Δ 4 ( ) sin ( / 2) k Z e NnA
n R m v
Δn
러더포드의 실험적 업적
신비한 자연을 한층 더 깊게 연구할 수 있는 능력 제공 1. 물질을 통과하는 방사능 입자의 수송에 대한 연구를
원자를 탐구하는 민감하고 정교한 기술에 응용
2. 그의 우수한 기술을 원자의 크기를 측정하는데 이용 3. α 입자와 핵 사이의 반발력
• α
입자의 에너지가 산란핵을 변형시키지 않거나 산란핵을 투과하지 않을 경우에만 성립• α
입자의 임계 에너지에서α
입자는 핵에 가장 접근한다•
무거운 금속 박막의 경우 쿨롱의 법칙이 항상 성립•
작은Z
를 갖는 핵에서는α
입자가 임계 에너지에 도달할 수 있다 1919년 알루미늄 핵의 반지름이 약 5×10–15 m임을 발견1 2 2
min
( )(2 ) Ze e m v k
d
예제 4.5 알루미늄 핵 반지름 측정
1919년 러더포드
알루미늄 핵 (Z = 13)으로부터 큰 각도에서 산란된 7.7 MeV의 α 입자의 경우 산란공식을 만족하지 않음을 발견
알루미늄 핵의 반지름은 ?
α 운동에너지 K α = 가장 근접한 위치에서의 퍼텐셜에너지
1 2 2
min
( )(2 ) Ze e
K mv k
d
2
15 min
2 Ze 4.9 10 m
d k
K
러더포드 핵 모형
러더포드 핵 모형의 전반적인 성공
•
모든 질량과 양(+)
전하Ze
가 지름10
–14m
인 원자핵에 집중됨• Z
개의 전자가 핵 주위를 돌고 있어야만 한다 문제점
1.
핵에Z
개의 양성자만이 있다면,
나머지 반은?
구속된 전자
-
양성자 쌍으로 이루어진 다른 중성입자의 모임을 생각해 냄2. 10
–14m
의 구간에 어떻게 많은 양성자가 속박되어 있을 수 있는가?
러더포드는 전기력일거라고 추측
사실은
강한 핵력에 의해 강하게 결합되어 있다 3.
전자들은 어떻게 안정된 원자를 형성할 수 있는가?
러더포드는 행성모델로 설명
보어의 정상상태 모델로 설명이 가능
연속 스펙트럼
뜨거운 액체와 고체는 연속적인 파장 분포로 빛을 방출
•
별에서 발견된 매우 높은 온도의 기체의 경우도 연속 스펙트럼 이러한 분포는 세기와 파장 곡선의 일반적인 형태를 보임
피크는 온도가 올라감에 따라 더 짧은 파장으로 이동
•
흑체곡선선 스펙트럼
선 스펙트럼
•
전기 방전에 의해 낮은 압력의 기체가 방출하는 불연속적인 스펙트럼 선 스펙트럼에 포함되어 있는 파장들은 원소의 고유 특성
•
어떤 두 원소도 같은선 스펙트럼을 방출하지 않기 때문에 미지의 시료를 분석할 때 실질적이고도 민감한 기술로 활용
분광학
1860년경의 분광학
•
키르히호프와 하이델베르크 대학의 분젠• 광물질 시료에서 새로운 배열의 스펙트럼 선을 관찰
• 루비듐과 세슘의 새로운 두 원소를 발견하는 데 기여
• 1860
년부터1900
년 사이• 장비와 기술의 발전
• 유럽에서는 스펙트럼 분야가 괄목할 만한 성장을 이룸
•
분광학의 기술• 천체의 운석이 지구에서 존재하는 원소들로만 이루어져 있음을 보임
• 유럽에서 분광학이 대중화
키르히호프의 기여
분광학 분야에 대한 키르히호프의 기여
•
흡수 분광학의 기초와•
태양 스펙트럼에서 프라운호퍼의 검은D
선의 설명• 태양으로부터 온 연속 스펙트럼을 가는 슬릿에 통과시키고
• 그 후 프리즘을 통과시킴
• 태양의 연속적인 무지개 스펙트럼에서 거의 1000개 정도의 가는 검은 선 또는 갭들로 이루어진 결과를 관찰
• 가장 분명한 검은 선들에 문자 A, B, C, D, …를 붙여나감
•
신비한 검은 선들• 태양 바깥의 상대적으로 차가운 층에 있는 기화된 원자구름의 영향으로 생긴다고 정확하게 유추
•
모든 프라운호퍼의 검은 선• 태양에 존재하는 서로 다른 원소들의 흡수에 의해서 생긴다고 유추
발머의 스펙트럼선
1885년 스위스의 학교교사 발머
• “
수소의 스펙트럼선에 관하여”
라는 논문을 발표•
옹스트롱의 네 가지 가시광선의 파장을 정확히 예측하는 수식발견 발머의 공식
• C
2:
수렴극한• H
αn = 3, H
βn = 4, H
γn = 5, H
δn = 6, …
2
2 2 2
(cm) 3,4,5,
2
C n n
n
8 2 3645.6 10 cm
C
수소원자의 스펙스럼 계열
발머는 같은 형태의 또 다른 수소 계열이 존재할 수 있다고 제안하였다
• R :
뤼드베르그 상수2
3 2 2
4,5,6, 3
C n n
n
2
4 2 2 5,6,7, 4
C n n
n
2 2
1 1 1
f i
R n n
계열
n
fn
i라이만 계열(uv)
n
f= 1 n
i= 2, 3, 4, …
발머 계열 (vis-uv)n
f= 2 n
i= 3, 4, 5, …
파션 계열 (IR)n
f= 3 n
i= 4, 5, 6, …
브래킷 계열 (IR)n
f= 4 n
i= 5, 6, 7, …
푼트 계열 (IR)n = 5 n = 6, 7, 8, …
7 1
1.0973732 10 m
R
핵의 고전적인 모형
톰슨과 러더포드
•
전자가 핵에서 떨어지지 않기 위해서는 핵 주위를 회전해야 한다•
맥스웰 이론• 궤도 진동수
f 로 회전하는 가속 전하는 진동수 f 의 광파를 복사
•
전자가 에너지를 복사하면• 궤도 반지름 감소
• 회전 진동수 증가
•
이것을 반복하면• 전자는 핵으로 근접
• 복사 진동수 증가
• 결국 원자는 붕괴
보어의 가정
고전 복사 이론이 원자 크기의 계에서는 성립하지 않는다
공전하는 전자에 플랑크의 양자화된 에너지 준위 개념 적용
원자 내의 전자는 정상상태의 궤도에 갇혀 있다
•
정상상태에서는• 원자의 상태가 안정되고
• 에너지를 복사하지 않으며
• 에너지가 시간에 따라 일정하다
전자가 한 정상상태에서 다른 정상 상태로 건너뛸 때
•
방출되는 빛의 진동수는 에너지 차이에 비례한다 두개의 가능한 전자 정상상태의 에너지 차이
ΔE hf
보어의 기본 개념
수소 원자의 전자는 양성자를 중심으로 원형 궤도로 운동
단지 특정 궤도만이 안정하다
•
이들 안정된 궤도는 전자가 복사하지 않는다 복사는
•
높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 건너뛸 때 원자로부터 방출•
방출된 광장의 진동수f 는
전자의 궤도 운동 진동수와 무관
•
방출된 빛의 진동수 허용된 전자 궤도의 크기
i f
E
E
hf
(E
i E
f )
수소 원자의 허용된 에너지 준위
원자의 전체 에너지
전자기력 = 구심력
전체 에너지
•
전자-양성자 계가 속박되어 있다•
반지름 보어 반지름
•
실험적인 측정 없이 이론만으로 수소 원자의 정확한 반지름을 얻었다2 1 2
2 e
E K U m v k e
r
2 2
2
m v
eke
r r
2
2 0 E ke
r
2 2 n 2
e
r n
m ke
2
0 1 2
0.0529 nm
e
a r
m ke r
n a n
0 2에너지 양자화
궤도 반지름의 양자화는 에너지 양자화를 의미한다
허용 에너지 준위
•
양자수n : 원자 에너지의 불연속적인 또는 양자화된 값
•
바닥상태 (n = 1)• 에너지
E
1 = – 13.6 eV•
첫 번째 들뜬 상태 (n = 2)• 에너지
E
2 = E1 / 22 = – 13.6 eV 이온화 에너지
•
원자를 이온화시키기 위해 필요한 최소에너지2
2 2
0
1 13.6
eV ( 1,2,3, )
n
2
E ke n
a n n
뤼드베르크 상수의 유도
전자가 바깥 궤도에서 안쪽 궤도로 건너뛸 때 방출되는 광자의 진동수
• c = f λ이므로
2
2 2
0
1 1
2
i f
i f
E E ke
f h a h n n
2
2 2
0
1 1
2
i ff ke
c a hc n n
2
2
0R ke
a hc
전자 하나만 남은 원소
보어는 수소 원자 모형을 수소처럼 원자에 전자가 하나만 남아 있는 다른 원소에도 적용
•
•
뜨거운 별의 대기에서는• 잦은 원자들의 충돌로 원자로부터 하나의 전자를 제외한 나머지 모든 전자들을 제거하기에 충분한 에너지를 얻을 수 있다
전하 +Ze의 핵주위를 도는 전자
2 3
He , Li ,Be ,
2 0 n
( )
r n a
Z
2 2
2 0
( 1,2,3, )
n
2
ke Z
E n
a n
보어의 기념비적인 업적
보어의 기념비적인 업적
•
방출 스펙트럼보다는 수소의 흡수 스펙트럼에서 제한된 수의 선이 보이는 이유를 설명•
원자로부터 나오는x-
선의 방출을 설명•
입자의 원천이 핵이라는 것을 설명•
원자의 화학적 성질을 전자껍질 모형으로 설명•
원자들이 어떻게 분자를 구성하는가를 설명4.4 보어의 대응원리
대응원리 (Corresponding principle)
•
고전이론이 성립하는 것을 알고 있는 크기의 영역에서 양자론의 예측이 고전 물리의 예측과 대응해야만 함을 의미•
n : 계의 양자수
•
대응원리는• 원자계에 대한 근본적인 가정의 원천일 뿐만 아니라
• 양자적 결과를 실험하기 위한 주요한 도구이다.
1913년 논문에서
•
각운동량의 양자화는 큰 양자수의 한계에서 양자론으로부터고전적인 결과들이 점차적으로 나타난 결과임을 독창적으로 보임
lim Quantum Physics Classical Physics
n
각운동량의 양자화 (1)
보어의 대응원리에 의하면
•
맥스웰의 고전적인 전자기 복사법칙과 빛의 방출에 있어서의 양자 화 조건은 매우 큰 전자 궤도의 경우에는 동시에 성립해야 한다.
• 맥스웰 : 전하가 궤도 진동수가 f 로 회전 또는 진동하면 진동수 f 인 광 파를 방출한다
• 양자화 조건 : ΔE = hf
•
쿨롱의 전기력=
구심력•
전체에너지2 2
2 e
e v
k m
r r
2 2 2 2 2
e e
L m v r m ke r
2 2
1 m ke
er L
2 4 2
2
1
2 2
m k e
eE ke
r L
4 3
m ke
edE
dL L
3 2 22 2 2 2
( ) ( )( )
( ) ( / )
e e
e e e
L L L m vr m ke r
m ke m vr m ke ke
2 e 2 e
( )
ke m v r m vr r
각 운동량의 양자화 (2)
전자가 r 1 에서 r 2 로 전이할 때 , 광자가 방출하는 에너지
• :
광자의 진동수• ω :
전자의 궤도 각 진동수 대응원리
•
양자론이 맥스웰의 복사법칙에서와 같이 이 되어야 한다•
인접한 큰 전자 궤도 사이의 전이의 경우• 전자 각운동량의 변화가 항상 임을 보여준다
• 특정 궤도에서 전자의 전체 각운동량의 크기가 의 정수배이다
dL
dL
dL
L m vr n
e
4.5 에너지 준위의 직접적인 확인
프랑크 -헤르츠 실험
•
낮은 에너지의 전자를 원자에 충돌시켜 원자를 들뜨게 함으로써원자 내에 불연속적인 에너지 준위가 존재한다는 것을 증명한
간단하고 직접적인 실험•
원자 내의 양자화된 에너지 준위의 존재를 확실하게 증명• 전자의 충돌로 얻은 에너지 준위는 광학적인 선 스펙트럼과 일치
• 원자 내의 에너지 양자화가 일반적인 것임을 보임
프랑크-헤르츠 실험의 결과
그리드 전압을 증가시킴에 따라 주기적으로 최대 -최소가 일정한 곡선을 그린다
•
첫번째 극소는• 4.9 V
에서발생하지 않고 약7.1 V
에서 발생•
필라멘트의 일함수는 낮고,
콜렉터의 일함수는 높으므로 여분의 에너지가 필요 광자의 파장
•
가속전압이4.9 V
를 넘자마자254 nm
파장의 자외선이 방출됨을 발견하였다1240 eV nm
253 nm
Δ 4.9 eV
hc
E
플랑크-헤르츠 실험 결과
광장의 파장
∆
Δ
1240 eV · nm
4.9 eV 253 nm
•
전자 충돌로 얻은 에너지 준위가 분광학적 결과와 일치• 가속전압이 4.9 eV를 넘자마자 254 nm 파장의 자외선이 방출된다
플랑크-헤르츠 실험
운동 에너지가 100 eV보다 작은 전자가 정지하고 있는 무거 운 수은 원자와 탄성 충돌한다
(a)
충돌에서 전자가 방향을 바꾼다면,
다음과 같이 전자가 처음의 운동 에너지의 극히 작은 일부분만을 잃게 됨을 보여라.
∆ 4
1 ⁄
여기서 는 전자 질량이고
,
은 수은 원자의 질량이다. (b)
이미 알고 있는 와 의 값을 이용하여∆ 4
임을 보이고