원자론

원자론(原子論, Atomic theory)은 물질이 원자라고 불리는 입자들로 구성되어 있다는 과학 이론이다. "원자"라는 단어의 정의는 과학적 발견에 따라 수년간 변화했다. 처음에는 육안으로는 너무 작아서 볼 수 없으며 나눌 수 없는 어떤 근본적인 물질 입자가 있다는 가설적 개념을 지칭했다. 그 후 화학계가 원소는 작은 정수 비율로 서로 결합하는 것을 관찰했을 때, 원자는 원소의 기본 입자로 정의가 정교해졌다. 그러다 물리학자들이 이 입자가 안에 다른 입자가 모여 있는 내부 구조를 가지고 있으며 따라서 "원자"라고 불릴 자격이 없을지도 모른다는 것을 발견했지만, 그 시점에서 원자의 이름을 바꾸는 것은 비현실적이라 '원자'라는 이름이 굳어졌다.

현재 원자의 이론적 모형은 전자들의 확률적 "구름"에 둘러싸인 밀도 높은 핵을 포함한다.

원자론은 역사상 가장 중요한 과학적 발전 중 하나이며, 모든 물리학에 필수적이다. 파인만의 물리학 강의를 시작하면서 물리학자이자 노벨상 수상자인 리처드 파인만은 원자 가설을 가장 다작적인 과학적 개념으로 제시한다.^[1]

철학적 원자론

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물질이 미세하고 나눌 수 없는 입자들로 이루어져 있다는 기본 개념은 많은 고대 문화에서 나타난 오래된 생각이다. 원자(atom)라는 단어는 고대 그리스어의 '아토모스'(atomos)에서 유래했는데, 이는 부정 접두사 "a-"와 "자르다"는 의미의 "τομή"(토메)의 조합으로 "자를 수 없는"을 의미한다.^[2] 이 고대의 아이디어는 과학적 추론보다는 철학적 추론에 기반을 두었다. 현대 원자론은 이러한 오래된 개념에 기반을 두지 않는다.^[3][4] 19세기 초, 과학자 존 돌턴은 화학 물질이 특정한 무게를 ㅏㄱ진 불연속적이고 일관된 단위로 서로 결합하는 것처럼 보인다는 것을 알아차렸고, 이러한 '기본' 단위를 지칭하기 위해 원자라는 단어를 사용하기로 결정했다.^[5]

기반

17세기 후반에 활동한 로버트 보일은 화합물과 다른 물질인 화학 원소의 개념을 발전시켰다.^[6]:293 18세기 말, 원자론의 개념을 언급하지 않고도 화학 분야에서 몇 가지 중요한 발전이 이루어졌다. 첫째는 앙투안 라부아지에로 화합물이 일정한 비율의 원소들로 구성되어 있음을 보여주었으며, 원소를 과학계가 실험을 통해 더 간단한 물질로 분해할 수 없는 물질로 재정의했다. 이는 실험적 지지가 없었던 불, 흙, 공기, 물이 물질의 원소라는 고대 사상을 막내리게 만들었다. 라부아지에는 물이 수소와 산소로 분해될 수 있음을 보여주었고 이를 더 이상 간단한 무언가로 분해할 수 없다는 것을 입증함으로써 이들이 원소임을 증명했다.^[7] 또한 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 정의했는데, 이는 화학 반응에서 물질이 갑자기 나타나거나 사라지지 않으며 관련된 물질이 변형되더라도 총 질량은 동일하게 유지된다는 것이다.^[6]:293 마지막으로 1797년 프랑스 화학자 조제프 루이 프루스트가 확립한 일정 성분비 법칙이 있었는데, 이는 화합물이 구성 원소로 분해될 경우 원래 화합물의 양이나 출처에 관계없이 그 구성 성분의 질량 비율은 항상 동일하다는 것이다. 이 정의는 화합물과 혼합물을 구분했다.^[8]

돌턴의 배수 비례 법칙

존 돌턴의 《신화학철학체계》(1808)의 한 장.

존 돌턴은 자신과 다른 과학자들이 수집한 데이터를 연구했다. 돌턴은 나중에 배수 비례의 법칙으로 알려지게 된 패턴을 발견했다. 즉, 두 가지 특정 원소를 포함하는 화합물에서 원소 B의 양에 대한 원소 A의 양은 이러한 화합물 사이에서 작은 정수비로 달라진다는 것이다. 이는 각 원소가 다른 원소와 기본적인 양의 배수로 결합한다는 것을 시사했다.^[9]

1804년, 돌턴은 그의 원자론을 친구이자 동료 화학자인 토머스 톰슨에게 설명했고, 톰슨은 1807년 그의 저서 《화학 체계》(A System of Chemistry)에 화학 원자론에 대한 최초의 완전한 설명을 출판했다.^[10]:81 톰슨에 따르면 돌턴의 아이디어는 "올레피안트 가스" (에틸렌)와 "탄화수소 가스" (메테인)를 실험할 때 처음 떠올랐다고 한다. 돌턴은 "탄화수소 가스"가 "올레피안트 가스"보다 탄소 측정량당 수소를 두 배 더 많이 포함한다는 것을 발견했고, "올레피안트 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 하나로, "탄화수소 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어져 있다고 결론 내렸다.^[11] 실제로는 에틸렌 분자는 탄소 원자 두 개와 수소 원자 네 개(C₂H₄)를, 메테인 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 네 개(CH₄)를 가지고 있다. 이 특정 경우에 돌턴은 이 화합물의 공식에 대해 틀렸지만, 다음 예에서는 맞게 설명했다.

예시 1 — 주석 산화물: 돌턴은 두 가지 유형의 산화 주석을 확인했다. 하나는 돌턴이 "주석의 원산화물"이라고 부른 회색 분말인데, 88.1%가 주석이고 11.9%가 산소이다. 다른 하나는 돌턴이 "주석의 이산화물"이라고 부른 흰색 분말인데, 78.7%가 주석이고 21.3%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 회색 분말에는 주석 100g당 약 13.5g의 산소가 있고, 흰색 분말에는 주석 100g당 약 27g의 산소가 있다. 13.5와 27은 1:2의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 오늘날 산화 주석(II)(SnO)과 산화 주석(IV)(SnO₂)으로 알려져 있다.^[12][13] 돌턴의 용어에서 "원산화물"(protoxide)은 산소 원자 하나를 포함하는 분자이며, "이산화물"(deutoxide) 분자는 두 개를 포함한다. 돌턴이 사용한 용어에 대한 현대적 명칭은 일산화물(monoxide)과 이산화물(dioxide)이다.^[14][15]

예시 2 — 산화 철: 돌턴은 두 가지 산화 철을 확인했다. 하나는 돌턴이 "철의 원산화물"이라고 부른 검은색 분말인데, 78.1%가 철이고 21.9%가 산소이다. 다른 산화 철은 돌턴이 "철의 중간 또는 붉은 산화물"이라고 부른 붉은색 분말인데, 70.4%가 철이고 29.6%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 검은색 분말에는 철 100g당 약 28g의 산소가 있고, 붉은색 분말에는 철 100g당 약 42g의 산소가 있다. 28과 42는 2:3의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 산화 철(II)과 산화 철(III)이며, 그들의 화학식은 각각 FeO와 Fe₂O₃이다. 산화 철(II)의 화학식은 일반적으로 FeO로 쓰이지만, 결정성 물질이므로 Fe₂O₂로도 쓸 수 있으며 이를 Fe₂O₃와 비교할 때 2:3 비율이 명확하게 드러난다. 돌턴은 "중간 산화물"을 "원산화물 2원자와 산소 1원자"로 묘사했으며, 이는 철 원자 두 개와 산소 원자 세 개가 합쳐진 것이다. 이는 철 원자당 평균 1.5개의 산소 원자를 의미하며, "원산화물"과 "이산화물"의 중간에 위치한다.^[16][17]

예시 3 — 질소 산화물: 돌턴은 "아산화 질소", "질소 가스", "질산" 세 가지 질소 산화물을 알고 있었다.^[18] 이 화합물은 오늘날 각각 아산화 질소, 일산화 질소, 이산화 질소로 알려져 있다. "아산화 질소"는 질소 63.3%, 산소 36.7%로, 질소 140g당 산소 80g을 의미한다. "질소 가스"는 질소 44.05%, 산소 55.95%로, 질소 140g당 산소 160g을 의미한다. "질산"은 질소 29.5%, 산소 70.5%로, 질소 140g당 산소 320g을 의미한다. 80g, 160g, 320g은 1:2:4의 비율을 이룬다. 이 화합물들의 화학식은 N₂O, NO, NO₂이다.^[19][20]

돌턴은 원자를 화학 물질의 "궁극적인 입자"로 정의했으며, "화합 원자"라는 용어를 두 개 이상의 원소를 포함하는 "궁극적인 입자"를 지칭하는 데 사용했다. 이는 원자가 화학 원소의 기본 입자이고 분자가 원자의 집합체인 현대적 정의와 일치하지 않는다. "화합 원자"라는 용어는 "원자"라는 단어가 비분할성을 의미했기 때문에 돌턴의 일부 동시대인에게 혼란을 주었지만, 그는 이산화 탄소 "원자"가 분할되면 더 이상 이산화 탄소가 아니게 된다고 반박했다. 이산화 탄소 "원자"는 더 작은 이산화 탄소 입자로 나눌 수 없다는 의미에서 비분할적이다.^[5][21]

돌턴은 "원소 원자"가 "화합 원자"(오늘날 우리가 분자라고 부르는 것)를 형성하는 방식에 대해 다음과 같은 가정을 했다. 두 원소가 하나의 화합물만을 형성할 수 있을 때, 그는 각각 하나의 원자로 구성되어 있다고 가정했는데, 이를 "이원 화합물"이라고 불렀다. 두 원소가 두 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 첫 번째 화합물은 이원 화합물이고 두 번째는 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 두 개의 원자로 구성된 "삼원 화합물"이다. 두 원소가 세 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 세 번째 화합물은 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 세 개의 원자를 포함하는 "사원" 화합물이다.^[22] 돌턴은 물이 "이원 화합물", 즉 수소 원자 하나와 산소 원자 하나라고 생각했다. 돌턴은 산소, 질소, 수소의 궁극적인 입자가 자연 기체 상태에서 쌍으로 존재한다는 사실(O₂, N₂, H₂)을 알지 못했다. 또한 원자가에 대해서도 알지 못했다. 원자의 이러한 특성은 19세기에 나중에 발견되었다.

원자는 19세기 방법으로는 직접 무게를 잴 수 없을 만큼 너무 작았기 때문에, 돌턴은 수많은 원자의 무게를 가장 가벼운 원소라고 알려진 수소 원자의 무게의 배수로 표현했다. 돌턴의 측정에 따르면 산소 7그램은 수소 1그램과 결합하여 물 8그램을 만들고 남는 것이 없었으며, 물 분자가 산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 이루어져 있다고 가정하여 산소의 원자량이 7이라고 결론 내렸다. 실제로는 16이다. 19세기 초 측정 도구의 조악함 외에 이 오류의 주요 원인은 돌턴이 물 분자가 사실 수소 원자 두 개를 가지고 있다는 것을 몰랐기 때문이다. 돌턴이 이를 알았다면 추정치를 더 정확한 14로 두 배 늘렸을 것이다. 이 오류는 1811년 아메데오 아보가드로가 수정했다. 아보가드로는 어떤 두 기체라도 동일한 온도와 압력에서 동일한 수의 분자를 포함한다고 제안했다(즉, 기체 입자의 질량은 기체가 차지하는 부피에 영향을 미치지 않는다).^[23] 지금은 보통 아보가드로 법칙이라고 불리는 아보가드로의 가설은 기체 원소 분자의 상대적 무게를 추론하는 방법을 제공했는데, 만약 가설이 옳다면 상대적 기체 밀도가 기체를 구성하는 입자들의 상대적 무게를 직접적으로 나타내기 때문이다. 이러한 사고방식은 직접적으로 두 번째 가설로 이어졌다. 즉 특정 원소 기체의 입자는 원자 쌍이며, 화학적으로 반응할 때 이 분자는 종종 둘로 쪼개졌다. 예를 들어, 수소 2리터가 산소 1리터와 반응하여 물 증기 2리터(일정한 압력과 온도에서)를 생성한다는 사실은 단일 산소 분자가 두 개의 물 분자를 형성하기 위해 둘로 쪼개진다는 것을 시사했다. 물의 화학식은 H₂O이지 HO가 아니다. 아보가드로는 산소의 원자량을 15.074로 측정했다.^[24]

원자론에 대한 반대

돌턴의 원자론은 광범위한 관심을 끌었지만, 처음에는 모든 사람이 받아들인 것은 아니었다. 분자가 상당히 커질 수 있는 유기 물질의 경우 배수 비례의 법칙이 보편적인 법칙이 아님을 보여주었다. 예를 들어, 올레산에는 탄소 216g당 수소 34g이 있고 메테인에는 탄소 216g당 수소 72g이 있다. 34와 72는 17:36의 비율을 형성하며 이는 작은 정수비가 아니다. 우리는 이제 탄소 기반 물질이 다른 원소가 형성할 수 있는 어떤 분자보다도 훨씬 큰 분자를 가질 수 있다는 것을 알고 있다. 올레산의 화학식은 C₁₈H₃₄O₂이고 메테인의 화학식은 CH₄이다.^[25] 배수 비례의 법칙 자체로는 완전한 증명이 되지 않았고, 원자론은 19세기 말까지 보편적으로 받아들여지지 않았다.^[9]

한 가지 문제는 통일된 명칭의 부족이었다. "원자"라는 단어는 더 이상 나눌 수 없다는 것을 의미했지만, 돌턴은 원자를 단지 원소나 물질 자체뿐만 아니라 모든 화학 물질의 궁극적인 입자로 정의했다. 이는 이산화 탄소와 같은 "화합 원자"가 "원소 원자"와 달리 분할될 수 있음을 의미했다. 돌턴은 "분자"라는 단어를 "축약형"으로 여겨 싫어했다.^[5][26] 아메데오 아보가드로는 반대로 행동했다. 자신의 저술에서 "원자"라는 단어를 피하고 "원소 분자"라는 용어를 사용하며 오직 "분자"라는 단어만 사용했다.^[27] 옌스 야코브 베르셀리우스는 세 개 이상의 원소를 포함하는 입자를 지칭하기 위해 "유기 원자"라는 용어를 사용다. 베르셀리우스는 이런 입자는 유기 화합물에서만 존재한다고 생각했기 때문이다. 장바티스트 뒤마는 "물리적 원자"와 "화학적 원자"라는 용어를 사용했다. "물리적 원자"는 온도와 압력과 같은 물리적 수단으로는 분할될 수 없는 입자였고, "화학적 원자"는 화학 반응으로는 분할될 수 없는 입자였다.^[28]

원자와 분자의 현대적 정의, 즉 원소의 기본 입자가 원자이고 원자의 집합체가 분자라는 정의는 19세기 후반에 확립되었다. 중요한 사건은 1860년 독일의 카를스루에 회의였다. 화학자가 모인 첫 국제 회의로서 그 목표는 학계에서 몇 가지 표준을 확립하는 것이었다. 원자와 분자 사이의 현대적 구분의 주요 지지자는 스타니슬라오 카니차로였다.

서로 다른 분자의 구성에 관련된 특정 원소의 다양한 양은 항상 나눌 수 없는 개체로 나타나는 근본적인 양의 정수배이며, 이를 적절하게 원자라고 명명해야 한다.

— 스타니슬라오 카니차로, 1860^[29]

카니차로는 베르셀리우스와 같은 과거의 화학자가 특정 기체 원소의 입자는 실제로는 원자의 쌍이라는 것을 받아들이지 않아 특정 화합물 제형에 실수를 저질렀다고 비판했다. 베르셀리우스는 수소 기체와 염소 기체 입자가 단일한 원자라고 믿었다. 그러나 그는 수소 1리터가 염소 1리터와 반응할 때, 염화 수소 1리터 대신 2리터를 형성하는 것을 관찰했다. 베르셀리우스는 아보가드로의 법칙이 화합물에는 적용되지 않는다고 결정했다. 카니차로는 과학자가 단일한 원소 분자의 존재를 받아들이기만 한다면 그들의 발견한 불일치가 쉽게 해결될 것이라고 주장했다. 그러나 베르셀리우스는 그에 대해 가리키는 단어조차 없었다. 베르셀리우스는 단 하나의 원소만을 포함하는 기체 입자에 대해 "원소 원자"라는 용어를 사용했고, 두 개 이상의 원소를 포함하는 입자에 대해 "화합 원자"라는 용어를 사용했지만, 베르셀리우스는 H₂의 존재를 믿지 않았기 때문에 H₂와 H를 구별할 것이 없었다. 그래서 카니차로는 과학자가 수소 분자는 화학 반응 과정에서 두 개의 수소 원자로 쪼개질 수 있다는 것을 이해할 수 있도록 재정의를 요구했다.^[30]

원자론에 대한 두 번째 반론은 철학적이었다. 19세기의 과학자는 원자를 직접 관찰할 방법이 없었다. 그들은 돌턴의 배수 비례 법칙과 같은 간접적인 관찰을 통해 원자의 존재를 추론했다. 일부 과학자는 실증주의 철학에 부합하는 입장을 채택하여 과학계가 우주의 더 깊은 실재를 추론하려 시도하지 말고, 단지 직접 관찰할 수 있는 패턴만을 체계화해야 한다고 주장했다.^[3]:232

이 반(反)원자론주의자 세대는 두 진영으로 나눌 수 있다. 마르셀린 베르틀로와 같은 "등가론자"는 당량 이론이 과학적 목적에 충분하다고 믿었다. 이 프루스트의 일정 성분비 법칙의 일반화는 관찰한 결과를 요약했다. 예를 들어, 수소 1그램은 산소 8그램과 결합하여 물 9그램을 형성하므로 산소의 "당량"은 8그램이다. 에른스트 마흐와 빌헬름 오스트발트와 같은 "에너지론자"는 현실에 대한 가설에 전적으로 철학적으로 반대했다. 그들의 관점에서는 열역학의 일부인 에너지만이 물리적 모델의 기초가 되어야 한다고 생각했다.^[3]:237

이러한 입장은 19세기 후반에 일어난 두 가지 중요한 발전, 즉 주기율표의 개발과 분자가 그 속성을 결정하는 내부 구조를 가지고 있다는 발견에 따라 결국 해체되었다.^[31]

이성질체

과학계는 일부 물질이 동일한 화학적 조성을 가지고 있지만 서로 다른 속성을 가진다는 것을 발견했다. 예를 들어, 1827년 프리드리히 뵐러는 플민산 은과 시안산 은이 모두 은 107부, 탄소 12부, 질소 14부, 산소 16부로 구성되어 있음을 발견했다 (우리는 이제 그들의 화학식이 둘 다 AgCNO라는 것을 안다). 1830년 옌스 야코브 베르셀리우스는 이 현상을 설명하기 위해 이성질체라는 용어를 도입했다. 1860년, 루이 파스퇴르는 이성질체 분자가 서로 동일한 원자 집합을 가지지만 다른 배열을 가질 수 있다고 가설을 세웠다.^[32]

1874년, 야코뷔스 헨리퀴스 판트호프는 탄소 원자가 다른 원자와 사면체 배열로 결합한다고 제안했다. 이를 바탕으로 그는 유기 분자의 구조를 설명하여 화합물이 가질 수 있는 이성질체의 수를 예측할 수 있었다. 예를 들어, 펜테인(C₅H₁₂)을 고려해보자. 판트호프의 분자 모델링 방식에서는 펜테인에 대해 세 가지 가능한 구조가 있었고, 과학계는 실제로 펜테인의 세 가지 이성질체만을 발견했다.^[33][34]

n-펜테인

아이소펜테인

네오펜테인

야코뷔스 헨리퀴스 판트호프의 분자 구조 모델링 방식은 펜테인(C₅H₁₂)의 세 가지 이성질체를 정확하게 예측했다.

이성질체는 라디칼 이론이나 유형론과 같은 원자론에 대한 대안 이론으로는 완전히 설명할 수 없는 현상이었다.^[35][36]

멘델레예프의 주기율표

 이 부분의 본문은 주기율표입니다.

드미트리 멘델레예프는 원소를 원자량 순서대로 나열했을 때 일정한 주기성을 띠는 것을 발견했다.^[37]:117 예를 들어, 두 번째 원소인 리튬은 아홉 번째 원소인 나트륨과 열여섯 번째 원소인 칼륨과 유사한 특성을 가졌는데 이는 7주기였다. 마찬가지로 베릴륨, 마그네슘, 칼슘도 유사했으며, 멘델레예프의 표에서 서로 7칸 떨어져 있었다. 이러한 패턴을 사용하여 멘델레예프는 나중에 자연에서 발견된 새로운 원소인 스칸듐, 갈륨, 저마늄의 존재와 특성을 예측했다.^[37]:118 또한, 주기율표는 한 원자가 다른 원소의 몇 개의 원자와 결합할 수 있는지를 예측할 수 있었다. 예를 들어 저마늄과 탄소는 표에서 같은 족에 있으며, 그 원자는 각각 두 개의 산소 원자와 결합한다(GeO₂ 및 CO₂). 멘델레예프는 이러한 패턴이 원소가 원자량에 따라 분류될 수 있음을 보여주었기 때문에 원자론을 검증한다고 보았다. 주기 중간에 새로운 원소를 삽입하면 해당 주기와 다음 주기 사이의 평행성이 깨지고, 돌턴의 배수 비례 법칙도 위반될 것이었다.^[38]

1871년 멘델레예프의 주기율표

주기율표의 원소는 원래 원자량이 증가하는 순서대로 배열되었다. 그러나 여러 곳에서 화학자들은 특정 인접 원소들의 위치를 바꿔서 유사한 특성을 가진 다른 원소와 같은 족에 나타나도록 했다. 예를 들어, 텔루륨이 더 무겁지만(127.6 vs 126.9) 아이오딘 앞에 배치되어 아이오딘이 다른 할로젠 원소들과 같은 족에 있을 수 있도록 냐열했다. 현대 주기율표는 원자 번호를 기반으로 하는데, 이는 핵 전하와 같으며, 이러한 변화는 원자핵의 발견을 기다려야 했다.^[39]:228 또한, 멘델레예프가 표를 고안했을 때 비활성 기체가 발견되지 않았기 때문에 현재 있는 표에서 마지막 행(18족)은 표시되지 않았다.^[39]:222

기체 분자 운동론

1738년, 스위스 물리학자이자 수학자인 다니엘 베르누이는 기체의 압력과 열이 모두 분자의 근원적인 운동으로 인해 발생한다고 가정했다. 베르누이의 모델을 사용하여 그는 일정한 온도에서 이상기체 법칙을 예측할 수 있었고, 온도가 입자의 속도에 비례한다고 제안했다. 이러한 성공은 당시의 새로운 미적분학 도구가 기체에 대한 연속적인 모델을 사용하여 더 많은 진전을 가능하게 했기 때문에 부분적으로는 계속 이어지지 못했다.^[40]:943

원자론의 열렬한 지지자였던 제임스 클러크 맥스웰은 1860년과 1867년에 운동 이론을 부활시켰다. 그의 주요 통찰은 기체 입자의 속도가 평균값을 중심으로 달라질 것이라는 점이었고, 분포 함수 개념을 도입했다.^[40]:944[41] 1800년대 후반 루트비히 볼츠만은 원자 모델을 사용하여 운동 이론을 열역학, 특히 엔트로피와 관련된 두 번째 법칙에 적용했다. 볼츠만은 당시 에른스트 마흐나 빌헬름 오스트발트와 같은 주요 비판자, 즉 에너지가 현실의 기본량이라고 생각했던 에너지론자에 맞서 원자론적 가설을 옹호했다.^[42] 그러나 원자 모델은 열역학 이론의 발전에 필수적이지 않았다. 이는 1902년 조사이어 윌러드 기브스가 그의 저서 《통계 역학의 기본 원리》에서 통계역학을 도입했을 때 분명해졌다. 그의 새 접근법의 논리적이고 형식적인 발전은 원자 가설을 요구하는 것을 명시적으로 피했다.^[40]:992 알베르트 아인슈타인은 기브스와 유사한 접근법을 독립적으로 개발했지만, 완전히 다른 목표를 가지고 있었다. 아인슈타인은 운동 이론을 통해 원자 가설을 검증하는 방법을 찾고자 했다. 그는 결국 브라운 운동에 관한 논문으로 성공을 거두었다.^[43]

브라운 운동

1827년, 영국 식물학자 로버트 브라운은 물에 떠 있는 꽃가루 입자 속의 먼지 입자가 겉으로 보기에는 아무런 이유 없이 계속 흔들리는 것을 관찰했다. 1905년, 아인슈타인은 이러한 브라운 운동은 물 분자가 끊임없이 알갱이를 때려서 발생한다고 이론화하고, 이를 설명하기 위한 수학적 모델을 개발했다.^[43] 이 모델은 1908년 프랑스 물리학자 장 바티스트 페랭을 통해 실험적으로 검증되었는데, 그는 아인슈타인의 방정식을 사용하여 원자의 크기를 측정했다.^[44]

다양한 단순 분자들의 운동학적 직경

분자	페랭의 측정값[45]	현대 측정값
헬륨	1.7 × 10−10 m	2.6 × 10−10 m
아르곤	2.7 × 10−10 m	3.4 × 10−10 m
수은	2.8 × 10−10 m	3 × 10−10 m
수소	2 × 10−10 m	2.89 × 10−10 m
산소	2.6 × 10−10 m	3.46 × 10−10 m
질소	2.7 × 10−10 m	3.64 × 10−10 m
염소	4 × 10−10 m	3.20 × 10−10 m

킬로그램 단위의 원자 질량

분자	페랭의 측정값[45]	현대 측정값
수소	1.43 × 10−27 kg	1.66 × 10−27 kg
산소	22.7 × 10−27 kg	22.8 × 10−27 kg

전자의 발견

 이 부분의 본문은 전자 및 톰슨 원자 모형입니다.

조지프 존 톰슨이 1905년에 제안한 원자 내 전자의 배열 다이어그램으로, 1개에서 8개의 전자까지 다양하다.

오각형 양피라미드에 7개의 전자가 배열된 모습.

원자는 1899년 조지프 존 톰슨이 음극선에 대한 연구를 통해 전자를 발견하기 전까지는 물질의 가장 작은 단위로 여겨졌다.^{[39]:86[6]:364}

크룩스관은 두 전극이 진공으로 분리된 밀봉된 유리 용기이다. 전극에 전압을 가하면 음극선이 발생하여 관의 반대쪽 끝에 있는 유리에 부딪히는 곳에 빛나는 부분이 생긴다. 실험을 통해 톰슨은 이 광선이 전기장과 자기장의 영향으로 편향될 수 있음을 발견했는데, 이는 광선이 빛의 형태가 아니라 매우 가벼운 전하를 띤 입자로 구성되어 있으며, 그 전하는 음전하라는 것을 의미했다. 톰슨은 이 입자를 "코르푸슬"(corpuscles)이라고 불렀다. 그는 이들의 질량 대 전하 비율이 가장 작은 원자인 수소 원자보다 몇 자릿수 작다는 것을 측정했다. 이 비율은 전극의 재료나 관 안의 미량 기체 종류와 관계없이 동일했다.^[46]

이러한 코르푸슬과 대조적으로, 전기분해나 X선 복사에 의해 생성된 양이온은 전극의 재료와 반응 챔버 내 기체의 종류에 따라 질량-전하 비율이 달라져, 서로 다른 종류의 입자임을 나타냈다.^[6]:363

1898년, 톰슨은 이온의 전하가 대략 6 × 10⁻¹⁰ 스탯쿨롬(2 × 10⁻¹⁹ 쿨롱)임을 측정했다.^[39]:85[47] 1899년 톰슨은 금속에 자외선이 비춰져 생성된 음전기(지금은 광전 효과로 알려져 있음)가 음극선과 동일한 질량 대 전하 비율을 가짐을 보여주었다. 그 후 이전에 이온의 전하를 결정하는 데 사용했던 방법을 자외선에 의해 생성된 음전기 입자에 적용했다.^[39]:86 이 결합을 통해 전자의 질량이 수소 이온의 0.0014배임을 보여주었다.^[48] 이 "코르푸슬"은 너무 가볍지만 너무 큰 전하를 가지고 있어서 톰슨은 이것이 전기의 기본 입자임에 틀림없다고 결론 내렸고, 이 때문에 다른 과학계는 이 "코르푸슬"을 1894년 조지 존스턴 스토니가 전기 기본 단위를 명명할 때 제안했던 전자라고 불러야 한다고 결정했다.^[49]

1904년, 톰슨은 새로운 원자 모형을 기술한 논문을 발표했다.^[50] 전자는 원자 내에 존재하며, 전기 전류 작용에서 사슬처럼 한 원자에서 다른 원자로 이동한다. 전자가 흐르지 않을 때 음전하는 논리적으로 원자를 전기적으로 중성으로 만들기 위해 원자 내의 어떤 양전하원과 균형을 이루어야 한다. 이 양전하원의 출처에 대한 단서가 없었기 때문에 톰슨은 양전하가 원자 전체에 퍼져 있으며, 원자가 구형이라고 잠정적으로 제안했다. 이는 사용 가능한 증거(또는 증거의 부족)에 가장 적합한 수학적으로 가장 단순한 모델이었다.^[51] 정전기력의 균형은 전자를 이 구 전체에 걸쳐 대체로 균일하게 분포시킨다고 생각했다. 또한 이온이 전자의 과잉 또는 부족을 가진 원자라고 설명했다.^[52]

톰슨의 모델은 전자가 양전하 구에 크리스마스 푸딩 속 건포도와 같은 밀도로 분포되어 있다는 생각에 기반하여 통칭 푸딩 모델로 알려져 있다. 하지만 톰슨이나 그의 동료는 이 비유를 사용한 적이 없다. 이는 대중 과학 작가의 착상인 것으로 보인다.^[53] 이 비유는 양전하 구가 고체와 같다는 것을 암시하지만, 톰슨은 이를 젤리에 비유했는데, 전자가 정전기력에 제어되는 패턴으로 그 안에서 움직인다고 제안했기 때문이다.^[54][55]:257 톰슨 모델의 양전하는 임시적인 개념이었으며, 궁극적으로 전자의 어떤 현상으로 설명될 수 있기를 바랐다. 그 당시의 모든 원자 모델과 마찬가지로 톰슨의 모델은 불완전했으며, 방출 스펙트럼과 같은 원자의 알려진 속성을 예측할 수 없었다.^[56]

1910년, 로버트 밀리컨과 하비 플레처는 기름방울 실험의 결과를 보고했는데, 이 실험에서 전자의 전하를 분리하고 측정했다.^[57] 수년간의 정밀한 측정 결과, 전하는 -4.774 × 10⁻¹⁰ esu로 나타났다.^[58]

원자핵의 발견

 이 부분의 본문은 알파입자 산란실험입니다.

알파입자 산란실험
왼쪽은 예상한 결과로 알파 입자들이 톰슨 원자 모형을 통과하며 무시할 만한 편향을 보인다.
오른쪽은 관측된 결과로 입자의 작은 부분이 원자핵의 집중된 양전하에 편향된다.

톰슨의 플럼 푸딩 모델은 1911년 그의 전 학생 중 한 명인 어니스트 러더퍼드가 새로운 실험 데이터를 설명하는 새로운 모델이 제시하면서 도전을 받았다. 이 새로운 모델은 나중에 원자핵이라고 불리게 된 집중된 전하와 질량의 중심을 제안했다.^[55]:296

어니스트 러더퍼드와 그의 동료인 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 알파 입자 (이들은 라듐과 같은 특정 방사성 물질에서 방출되는 양전하를 띤 입자이다)의 전하-질량비를 측정하는 장비를 만들려 했을 때 어려움을 겪으면서 톰슨 모델에 대해 의구심을 갖게 되었다. 알파 입자가 검출실의 공기에 산란되어 측정값을 신뢰할 수 없었다. 톰슨은 음극선 연구에서 비슷한 문제에 직면했고, 그의 장비에서 거의 완벽한 진공을 만듦으로써 이를 해결했다. 러더퍼드는 알파 입자가 전자보다 훨씬 더 많은 운동량을 가지고 있었기 때문에 같은 문제에 부딪히지 않을 것이라고 생각했다. 톰슨의 원자 모델에 따르면 원자 내의 양전하는 알파 입자를 편향시킬 만큼 충분히 강한 전기장을 생성할 정도로 집중되어 있지 않다. 그러나 산란이 발생했으므로 러더퍼드와 그의 동료는 이 산란을 주의 깊게 조사하기로 결정했다.^[59]

1908년부터 1913년 사이에 러더퍼드와 그의 동료는 얇은 금속박에 알파 입자 빔을 충돌시키는 일련의 실험을 수행했다. 그들은 90° 이상으로 편향되는 알파 입자를 발견했다. 톰슨의 모델에 따르면 모든 알파 입자는 무시할 만한 편향으로 통과했어야 했다. 러더퍼드는 원자의 양전하가 톰슨이 믿었던 것처럼 원자 전체에 분포되어 있지 않고, 중심의 작은 핵에 집중되어 있다고 추론했다. 또한 이 핵은 원자 질량의 대부분을 차지한다. 이렇게 강한 전하 집중이 높은 질량에 고정되어야만 관찰된 바와 같이 알파 입자를 편향시킬 만큼 충분히 강한 전기장을 생성할 수 있었다.^[59] 러더퍼드의 모델은 많은 과학자에게 익숙하지 않은 산란 데이터에 주로 의존했기 때문에, 닐스 보어가 러더퍼드의 연구실에 합류하여 전자를 위한 새로운 모델을 개발할 때까지는 널리 받아들여지지 않았다.^[55]:304

러더퍼드 모형은 알파 입자의 산란이 원자 전하의 제곱에 비례할 것이라고 예측했다. 가이거와 마스덴은 호일 재료(금, 알루미늄 등)의 원자량의 절반으로 전하를 설정하여 분석을 기반으로 했다. 아마추어 물리학자 안토니우스 반 덴 브록은 전하와 원자량 순서에서 원소의 숫자 배열 사이에 더 정확한 관계가 있다는 점을 지적했다. 이 배열 번호는 원자 번호로 불리게 되었고 주기율표를 정리하는 데 원자량을 대체했다.^[60][61]

보어 모형

 이 부분의 본문은 보어 모형입니다.

원자의 보어 모형

러더퍼드는 실험을 통해 원자핵의 존재를 추론했지만, 전자가 핵 주위에 어떻게 배열되어 있는지에 대해서는 언급하지 않았다. 1912년 닐스 보어는 러더퍼드의 연구실에 합류하여 원자의 양자 모델에 대한 연구를 시작했다.^[39]:19

1900년 막스 플랑크와 1905년 알베르트 아인슈타인은 빛 에너지가 양자라는 불연속적인 양으로 방출되거나 흡수된다고 가정했다. 이는 1910년 아르투어 에리히 하스의 원자 모형^[39]:197과 1912년 존 윌리엄 니콜슨의 양자화된 각운동량(h/2π)을 가진 원자 모형과 같이 일부 양자적 측면을 가진 일련의 원자 모형으로 이어졌다.^[62][63] 이 모델의 동적 구조는 여전히 고전적이었지만, 1913년에 보어는 고전적 접근 방식을 포기했다. 그는 자신의 보어 모형을 양자 가설로 시작했는데, 전자는 고정된 각운동량과 에너지를 가진 특정 원형 궤도에서만 핵을 공전할 수 있으며, 핵으로부터의 거리(즉, 반지름)는 에너지에 비례한다는 것이다.^[39]:197[64] 이 모델에 따르면 전자는 연속적으로 에너지를 잃을 수 없었으며, 대신 고정된 에너지 준위 사이에서만 순간적인 "양자도약"을 할 수 있다.^[64] 이 경우, 빛은 에너지 변화에 비례하는 주파수로 방출되거나 흡수되었다(따라서 불연속적인 스펙트럼으로 빛이 흡수되고 방출됨).^[64]

세 편의 논문에서 보어는 자신의 모형을 기술하고 적용하여 수소 원자의 스펙트럼에서 발머 계열과 관련 He⁺ 스펙트럼을 유도했다.^[39]:197 그는 또한 이 모형을 사용하여 주기율표의 구조와 화학 결합의 측면을 설명했다. 이러한 결과들이 종합적으로 1915년 말까지 보어의 모형이 널리 받아들여지는 계기가 되었다.^[65]:91

보어의 모델은 완벽하지 않았다. 수소의 스펙트럼선만 예측할 수 있었고, 다전자 원자의 스펙트럼은 예측할 수 없었다.^[66] 더 나쁜 것은, 수소 스펙트럼의 모든 특징조차 설명할 수 없었다. 분광학 기술이 발전하면서 자기장을 가하면 스펙트럼선이 여러 개로 갈라지는 현상이 발견되었는데, 이는 보어의 모델로는 설명할 수 없었다. 1916년, 아르놀트 조머펠트는 추가적인 방출선을 설명하기 위해 보어 모델에 타원 궤도를 추가했지만 이 때문에 모델 사용이 매우 어려워졌고, 더 복잡한 원자는 여전히 설명할 수 없었다.^[67][68]

동위 원소의 발견

 이 부분의 본문은 동위 원소입니다.

방사성 붕괴 생성물을 실험하던 중, 1913년 방사화학자 프레더릭 소디는 일부 원소에 여러 종류가 있는 것으로 보인다는 것을 발견했다.^[69] 마거릿 토드가 이러한 종류에 적합한 이름으로 동위 원소라는 용어를 만들었다.^[70]

같은 해, 조지프 존 톰슨은 네온 이온 흐름을 자기장과 전기장을 통해 보내 반대편의 사진판에 부딪히게 하는 실험을 수행했다. 그는 사진판에서 두 개의 빛나는 얼룩을 관찰했는데, 이는 두 가지 다른 편향 궤적을 시사했다. 톰슨은 이것이 일부 네온 이온이 다른 질량을 가졌기 때문이라고 결론 내렸다.^[71] 이 다른 질량의 본질은 1932년 중성자의 발견으로 나중에 설명된다. 즉, 같은 원소의 모든 원자는 같은 수의 양성자를 포함하지만 다른 동위 원소는 다른 수의 중성자를 가진다.^[72]

양성자의 발견

1815년으로 거슬러 올라가 윌리엄 프라우트는 알려진 원소의 원자량이 수소 원자량의 배수임을 관찰하고, 모든 원자가 수소의 집합체이며, 이 입자를 "프론틸"(protyle)이라고 명명하는 가설을 세웠다. 프라우트의 가설은 일부 원소들이 이 패턴에서 벗어나는 것으로 밝혀지면서 의심을 받게 되었다. 예를 들어, 염소 원자는 평균적으로 35.45 달톤의 무게를 가지지만 1913년 동위 원소가 발견되면서 프라우트의 관찰은 다시금 주목을 받게 되었다.^[56]

1898년, J. J. 톰슨은 수소 이온의 양전하가 단일 전자의 음전하와 같다는 것을 발견했다.^[73]

1911년 4월, 알파 입자 산란 연구에 관한 논문에서 어니스트 러더퍼드는 원자핵의 전하를 수소 핵 전하(q_e)의 배수로 표현했을 때, 원자량의 대략 절반이라고 추정했다.^[74]

1911년 6월, 반 덴 브록은 주기율표에서 각 연속적인 화학 원소의 원자량이 평균 2만큼 증가한다는 점을 지적했는데, 이는 각 연속적인 원소의 핵 전하가 1 q_e씩 증가함을 시사했다.^[75] 1913년, 반 덴 브록은 원자핵의 전하가 기본 전하의 배수로 표현될 때 주기율표에서 원소의 순서 위치와 같다고 추가로 제안했다. 러더퍼드는 이 위치를 원소의 원자 번호로 정의했다.^[76][77][78]

1913년, 헨리 모즐리는 주기율표의 모든 원소에서 X선 방출을 측정하고 X선 방출의 주파수가 원소의 원자 번호와 수소 핵의 전하의 수학적 함수라는 것을 발견했다 (모즐리의 법칙 참조).

1917년 러더퍼드는 질소 가스에 알파 입자를 충돌시켜 수소 이온이 방출되는 것을 관찰했다. 러더퍼드는 알파 입자가 질소 원자의 핵에 충돌하여 수소 이온이 떨어져 나간 것이라고 결론 내렸다.^[79][80] 이러한 관찰을 통해 러더퍼드는 수소 핵이 전자의 음전하와 동일한 양전하를 가진 단일한 입자의 모임이라고 결론 내렸다. "양성자"라는 이름은 1920년 카디프에서 열린 동료 물리학자의 비공식 회의에서 러더퍼드가 제안했다.^[81]

원자핵의 전하수는 원소의 주기율표상의 순서와 같다는 것이 밝혀졌다. 따라서 핵 전하수는 라부아지에의 고전적인 화학 원소 정의, 즉 화학 반응으로 더 간단한 물질로 분해될 수 없는 물질이라는 정의와는 대조적으로 화학 원소를 서로 구별하는 간단하고 명확한 방법을 제공했다. 이후 전하수 또는 양성자수는 원소의 원자 번호로 불리게 되었다. 1923년 국제 화학 원소 위원회는 원자 번호를 화학 원소를 구별하는 특성으로 공식 선언했다.^[82]

1920년대 동안, 일부 작가는 원자 번호를 핵 내의 "과잉된 양성자"의 수로 정의했다. 중성자가 발견되기 전 과학계는 원자핵이 일부 양성자의 양전하를 상쇄하는 다수의 "핵 전자"를 포함하고 있다고 믿었다. 이는 대부분의 원자의 원자량이 원자 번호보다 높은 이유를 설명했다. 예를 들어, 헬륨은 핵 내에 4개의 양성자와 2개의 핵 전자를 가지고 있어, 2개의 과잉 양성자와 순 핵 전하 2+를 남긴다고 생각되었다. 중성자가 발견된 후 과학자는 헬륨 핵이 실제로 2개의 양성자와 2개의 중성자를 포함하고 있다는 것을 깨달았다.

중성자의 발견

1920년대 물리학자는 원자핵에 양성자와 전체 전하를 감소시키는 다수의 "핵 전자"가 포함되어 있다고 믿었다. 이 "핵 전자"는 핵 주위를 공전하는 전자와는 구별되는 것이었다. 이 부정확한 가설은 원소의 원자 번호가 원자량보다 작고, 방사성 원소가 핵 붕괴 과정에서 전자를 (베타선) 방출하는 이유를 설명했다. 러더퍼드는 심지어 양성자와 전자가 단단히 결합하여 "중성 이중체"를 형성할 수 있다고 가설을 세웠다. 러더퍼드는 그러한 "중성 이중체"로 공간을 자유롭게 이동하는 존재가 우주의 생성에서 더 무거운 원소가 어떻게 형성되었는지를 설명하는 데 더 타당한 설명을 제공할 것이라고 썼는데, 왜냐하면 양성자만 있을 경우 서로 반발하는 전기장 때문에 큰 원자핵과 융합하기 어렵기 때문이다.^[83]

1928년, 발터 보테는 베릴륨이 알파 입자에 충돌할 때 고도로 침투하는 전기적으로 중성인 방사선을 방출하는 것을 관찰했다. 나중에 이 방사선이 파라핀에서 수소 원자를 튕겨낼 수 있다는 것이 발견되었다. 처음에는 감마선이 금속의 전자에게 유사한 영향을 미쳤기 때문에 고에너지 감마선으로 생각되었지만, 제임스 채드윅은 상호작용에서 에너지와 운동량이 보존되는 한 이온화 효과가 전자기 복사 때문이라고 보기에는 너무 강하다는 것을 발견했다. 1932년, 채드윅은 수소와 질소와 같은 다양한 원소를 신비로운 "베릴륨 방사선"에 노출시켰고, 반동하는 전하를 띤 입자의 에너지를 측정하여 그 방사선이 실제로는 감마선처럼 질량이 없는 것이 아니라 양성자와 유사한 질량을 가져야 하는 전기적으로 중성인 여러 입자로 구성되어 있다고 추론했다. 채드윅은 이 새로운 입자를 "중성자"라고 불렀고, 중성자가 양성자와 전자가 융합된 것이라고 믿었는데, 왜냐하면 중성자는 양성자와 거의 같은 질량을 가지고 있었고, 전자의 질량은 비교할 때 무시할 만하기 때문이다.^[84] 중성자는 실제로는 양성자와 전자의 융합이 아니다.

현대 양자역학적 모델

 이 부분의 본문은 양자역학의 역사입니다.

네온 원자의 채워진 다섯 개의 원자 궤도가 왼쪽에서 오른쪽으로 에너지 증가 순서대로 분리 및 배열되어 있으며, 마지막 세 궤도는 에너지가 동일하다. 각 궤도에는 최대 두 개의 전자가 존재하며, 이들은 색깔로 표시된 거품 영역에 가장 높은 확률로 존재한다. 각 전자는 두 궤도 영역에 동등하게 존재하며, 여기서는 다른 파동 위상을 강조하기 위해 색상으로만 표시되었다.

1924년 루이 드 브로이는 모든 입자, 특히 전자와 같은 아원자 입자가 관련된 파동을 가지고 있다고 제안했다. 이 아이디어에 매료된 에르빈 슈뢰딩거는 전자를 점이 아닌 파동 함수로 기술하는 방정식을 개발했다.^[85] 이 접근법은 보어의 모델이 설명하지 못했던 많은 스펙트럼 현상을 예측했지만, 시각화하기 어려웠고 반대에 부딪혔다.^[86] 슈뢰딩거의 비판자 중 한 명인 막스 보른은 슈뢰딩거의 파동 함수가 전자의 물리적 확장(고전 전자기학의 전하 분포처럼)을 기술하는 것이 아니라, 전자가 측정될 때 특정 지점에서 발견될 확률을 제공한다고 제안했다.^[87] 이는 파동과 입자 같은 전자의 아이디어를 조화시켰다. 즉, 전자 또는 다른 아원자 실체의 행동은 파동 같은 측면과 입자 같은 측면을 모두 가지며, 어떤 측면이 관찰되는지는 실험에 따라 달라진다.^[88]

수소에 대한 슈뢰딩거의 파동 모델은 깔끔하게 정의된 원형 궤도를 가진 보어의 모델을 대체했다. 원자의 현대 모델은 원자 내 전자의 위치를 확률로 설명한다. 전자는 핵에서 어떤 거리에서든 발견될 수 있지만, 에너지 준위와 각운동량에 따라 핵 주위의 특정 영역에서 다른 영역보다 더 자주 존재한다. 이 패턴을 원자 궤도라고 한다. 궤도는 핵을 중심으로 구, 아령, 원환면 등 다양한 모양을 가진다.^[89] 원자 궤도의 모양은 슈뢰딩거 방정식을 풀어서 얻어진다.^[90] 수소 원자와 수소 분자 이온을 포함하여 매우 적은 상대적으로 단순한 모델 해밀턴 연산자에 대한 슈뢰딩거 방정식의 해석적 해가 알려져 있다.^[91] 단 두 개의 전자를 포함하는 헬륨 원자부터는 슈뢰딩거 방정식을 풀기 위해 수치 해석 방법이 사용된다.^[92]

정성적으로 다전자 원자의 원자 궤도 모양은 수소 원자의 상태와 유사하다. 파울리 배타 원리는 이러한 전자가 원자 궤도 내에 분포하도록 요구하며, 어떤 한 궤도에도 두 개 이상의 전자가 배정되지 않아야 한다. 이 요구 사항은 원자의 속성에 깊이 영향을 미치고 궁극적으로 원자가 분자로 결합하는 방식에 영향을 미친다.^[93]:182

같이 보기

• 분광학
• 원자
• 분자 이론의 역사
• 화학 원소의 발견
• 양자역학 개론
• 기체 분자 운동론
• 원자주의
• 《양자 이론의 물리적 원리》

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