아원자 입자

달튼은 물질을 구성하는 입자에 대해서만 부분적으로 정확했습니다. 모든 물질은 원자로 구성되며 원자는 양성자, 중성자 및 전자의 세 가지 작은 아원자 입자로 구성됩니다. 이 세 입자는 원자의 질량과 전하를 차지합니다.

전자의 발견

아원자 구조에 대한 첫 번째 단서는 J.J. 톰슨이 음극선 튜브를 사용하여 전자를 발견했을 때 19 세기 말에 나왔습니다. 이 장치는 거의 모든 공기가 제거되었고 두 개의 금속 전극을 포함하는 밀봉 된 유리 튜브로 구성되었습니다. 전극에 고전압이 가해지면 음극선이라고 불리는 보이는 빔이 그들 사이에 나타났습니다. 이 빔은 양전하쪽으로 편향되어 음전하로부터 멀어지며, 전극에 다른 금속을 사용할 때 동일한 특성으로 동일한 형태로 생산되었다. 유사한 실험에서 광선은 적용된 자기장에 의해 동시에 편향되었습니다. 톰슨은 편향 정도와 자기장 강도의 측정을 통해 음극선 입자의 전하 대 질량 비율을 계산할 수 있었습니다. 이러한 측정의 결과는 이러한 입자가 원자보다 훨씬 가볍다는 것을 나타냈다. 톰슨은 자신의 관찰에 따라 다음과 같은 제안을 했다.

• 입자는 긍정적 인 (+) 요금에 매료되고 음수 (−) 요금에 의해 격퇴되므로 음전하 (예 : 요금이 격퇴되고 요금이 유치되는 것과 는 달리)
• 입자는 원자보다 덜 거대하고 소스 재료에 관계없이 구별 할 수 없으므로 모든 원자의 기본 아원자 성분이어야합니다.

톰슨의 음극선 입자는 원자보다 질량이 1000× 보다 적은 음전하, 아원자 입자인 전자입니다. “전자”라는 용어는 1891년 아일랜드의 물리학자 조지 스토니(George Stoney)가 “전기 이온”에서 만들어졌습니다.

1909년, 로버트 A. 밀리칸은 그의 “오일 드롭” 실험으로 전자의 전하를 계산했습니다. 밀리칸은 현미경 오일 방울을 만들었는데, 이는 형성된 마찰이나 X선을 사용하여 전기적으로 충전될 수 있습니다. 이 물방울은 처음에 중력으로 인해 떨어졌지만, 장치의 낮은 전기장에 의해 하향 진행이 느려지거나 반전 될 수 있습니다. 밀리칸은 전기장 강도를 조정하고 신중한 측정과 적절한 계산을 함으로써 개별 낙하에 대한 전하를 1.6× 10-19C(쿨롱)로 결정할 수 있었습니다. 밀리칸은 이 값이 단일 전자의 기본 전하가 되어야 한다고 결론을 내렸다. 전자의 전하는 이제 밀리칸의 연구로 인해 알려졌으며 – 그리고 전하 대 질량 비율은 톰슨의 연구 (1.759 × 10¹¹ C/kg)로 인해 이미 알려졌으며 전자의 질량은 9.107 × 10^-31 kg로 결정되었습니다.

러더포드의 핵 모델

과학자들은 이제 달튼이 믿었던 것처럼 원자가 나눌 수 없다는 것을 확립했으며, 톰슨, 밀리칸 및 다른 사람들의 작업으로 인해 부정적인 아원자 입자인 전자의 전하와 질량이 알려져 있었습니다. 과학자들은 원자의 전반적인 충전이 중립적이라는 것을 알고 있었습니다. 그러나, 원자의 양화 된 부분은 아직 잘 이해되지 않았다. 1904년, 톰슨은 모든 원자가 전기적으로 중성이기 때문에 원자의 “매실 푸딩” 모델을 제안했는데, 이는 모든 원자가 전기적으로 중성이기 때문에 전자의 형태로 동일한 양의 음전하질량을 기술했습니다. 1903년 토성형 원자를 가정한 나가오카 한타로가 전자의 후광으로 둘러싸인 양전하 구체로 구성된 경쟁 모델을 제안했습니다.

원자를 이해하는 다음 주요 개발은 어니스트 러더포드에서 왔다. 그는 라듐의 방사성 붕괴에 의해 생성된 고속, 양전하 알파 입자(α 입자)의 빔을 사용하여 일련의 실험을 수행하였다. 그는 매우 얇은 금호일 조각에서 α 입자의 빔을 겨냥하고 α 입자에 맞았을 때 잠시 빛나는 발광 스크린을 사용하여 α 입자의 결과산란을 조사했습니다. 그는 대부분의 입자가 전혀 편향되지 않고 호일을 통과하는 것을 관찰했다. 그러나 일부는 약간 우회되었고, 아주 적은 수의 사람들이 거의 곧바로 소스를 향해 다시 편향되었습니다.

이로부터, 러더 포드는 다음을 추론 : 빠르게 움직이는 α 입자의 대부분은 편향금 원자를 통과하기 때문에, 그들은 원자 내부의 본질적으로 빈 공간을 통해 여행해야합니다. 알파 입자는 양전하이므로 다른 양전하가 발생했을 때 편향이 발생합니다(예: 전하가 서로 격퇴합니다). 요금이 서로 격퇴하는 것처럼, 경로를 변경한 몇 가지 양전하 α 입자는 고농축 양전하의 다른 신체에 충돌했거나 밀접하게 접근해야 합니다. 디플렉션은 약간의 시간이 발생했기 때문에 이 충전은 금호에 소량의 공간만 차지했습니다.

일련의 실험을 분석한 러더포드는 두 가지 중요한 결론을 내렸습니다.

1. 원자가 차지하는 볼륨은 많은 양의 빈 공간으로 이루어져 있어야 합니다.
2. 작고 비교적 무겁고 양전하의 몸체인 핵은 각 원자의 중심에 있어야 합니다.

이 분석은 원자가 원자가 전기적으로 중성되도록 음전하 전자에 둘러싸여, 원자의 질량의 대부분이 집중되는 매우 작은, 양전하 핵으로 구성된 모델을 제안했다. 더 많은 실험 후, 러더포드는 또한 다른 요소의 핵이 수소 핵을 “빌딩 블록”으로 포함하고 있음을 발견했으며, 핵에서 발견되는 양성자, 양전하, 아원자 입자를 양성자로 명명했습니다.

원자의 구조

양성자는 원자의 핵에서 발견되며 양전하가 있습니다. 양성자의 수는 주기표의 원자 수와 같으며 요소의 ID를 결정합니다. 중성자는 또한 핵에서 발견된다. 그들은 아무런 요금이 없지만 양성자와 동일한 질량을 가지고 있으므로 원자의 원자 질량에 기여합니다. 전자는 구름의 핵 주위를 돌고 있습니다. 그들은 부정적인 충전과 무시할 수 있는 질량을 가지고, 그래서 그들은 원자의 전반적인 충전에 기여, 하지만 질량에.

중성자

핵은 원자의 거의 모든 질량을 포함하는 것으로 알려져 있었다, 양성자의 수는 절반 이하를 제공하는 그 질량. 핵에 중성 입자의 존재를 포함하여 나머지 질량을 구성하는 것을 설명하기 위하여 다른 제안이 만들어졌습니다. 1932년까지 제임스 채드윅은 양성자와 거의 같은 질량을 가진 중성자, 충전되지 않은 아원자 입자의 증거를 발견했다.

중성자의 존재는 또한 동위원소를 설명했습니다: 그들은 중성자의 다른 수를 가지고 있기 때문에 질량이 다르지만, 양성자의 수가 동일하기 때문에 화학적으로 동일합니다.

원자 질량 단위 (무) 및 충전의 기본 단위 (e)

핵은 양성자와 중성자가 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 원자질량의 대부분을 포함하고, 전자는 원자의 부피를 거의 모두 차지합니다. 원자의 직경은 10^-10m의 순서에 있는 반면 핵의 직경은 대략 10^-15 m -약 100,000 배 작습니다. 원자 – 그리고 양성자, 중성자 및 전자를 구성하는 것은 매우 작습니다. 예를 들어, 탄소 원자의 무게는 2 ×^10-23g 미만이며 전자는 2 × 10^-19 C 미만의 전하를 가합니다. 원자와 같은 작은 물체의 특성을 설명할 때 원자 질량 단위(amu) 및 기본 충전 단위(e)와 같은 적절한 작은 측정 단위가 사용됩니다. 무명은 탄소의 가장 풍부한 동위원소에 관한 정의, 원자는 정확히 12 부뮤의 질량을 할당된다. 따라서, 하나의 무뮤는 정확히 1/12 하나의 탄소-12 원자의 질량: 1 amu = 1.6605 × 10^-24 g. 달튼(Da)과 통일된 원자질량 단위(u)는 부뮤와 동등한 대체 유닛이다.

충전의 기본 단위 (또한 기본 충전이라고도 함)는 e = 1.602 × 10^-19 C와 전자의 전하의 크기와 같습니다. 양성자질량은 1.0073 점과 1+의 충전을 가지고 있습니다. 중성자는 질량 1.0087 무루와 0의 충전으로 약간 무거운 입자입니다. 이름에서 알 수 있듯이 중립적입니다. 전자는 1−의 전하를 가지고 있으며 약 0.00055 amu의 질량이있는 훨씬 가벼운 입자입니다. 참고로, 한 양성자의 질량과 동일한 약 1800전자가 걸릴 것이다. 이러한 기본 파티클의 속성은 다음 표에 요약됩니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 2.2: 원자 이론의 진화 및 섹션 2.3: 원자 구조 및 기호에서적용 됩니다.