20 세기 초는 과학에있어 매우 상서로운 시간이었습니다. 입자 물리학의 표준 모델을 탄생시킨 어니스트 러더 포드 (Ernest Rutherford)와 닐스 보어 (Niels Bohr) 외에 양자 역학 분야에서도 획기적인시기였습니다. 전자의 행동에 대한 지속적인 연구 덕분에 과학자들은 이러한 기본 입자가 고전적인 뉴턴 물리학을 무시하는 방식으로 행동하는 이론을 제안하기 시작했습니다.
이러한 예로는 Erwin Schrodinger가 제안한 Electron Cloud Model이 있습니다. 이 모델 덕분에 전자는 더 이상 고정 궤도에서 중심 핵 주위로 움직이는 입자로 묘사되지 않았습니다. 대신 슈뢰딩거는 과학자들이 전자의 위치에 대해 교육 된 추측 만 할 수있는 모델을 제안했다. 따라서 그들의 위치는 전자가 발견 될 가능성이있는 핵 주위의 '구름'의 일부로 만 묘사 될 수 있었다.
20 세기 원자 물리학 :
가장 초기에 알려진 원자 이론의 예는 고대 그리스와 인도에서 나 왔으며, Democritus와 같은 철학자들은 모든 문제가 작은, 불가분의, 파괴 불가능한 단위로 구성되어 있다고 가정했습니다. “아톰”이라는 용어는 고대 그리스에서 만들어졌으며“아톰”이라고 알려진 생각의 학교를 일으켰습니다. 그러나이 이론은 과학적 개념보다 철학적 개념에 가깝습니다.
19 세기까지 원자 이론이 과학적 문제로 명료 해지고 최초의 증거 기반 실험이 수행되었다. 예를 들어, 1800 년대 초 영국의 과학자 존 달튼 (John Dalton)은 원자의 개념을 사용하여 화학 원소가 관찰 가능하고 예측 가능한 방식으로 반응 한 이유를 설명했습니다. 가스와 관련된 일련의 실험을 통해 Dalton은 Dalton의 원자 이론으로 알려진 것을 개발했습니다.
이 이론은 질량과 명확한 비율의 대화 법칙을 확장하여 다섯 가지 전제로 나뉩니다. 가장 순수한 상태의 원소는 원자라고 불리는 입자로 구성됩니다. 특정 원소의 원자는 모두 마지막 원자까지 동일합니다. 상이한 원소의 원자는 그들의 원자량으로 구별 될 수있다; 원소의 원자가 결합하여 화합물을 형성하고; 원자는 화학 반응에서 생성되거나 파괴 될 수 없으며 그룹화 만 변경됩니다.
전자의 발견 :
19 세기 후반에 과학자들은 원자가 하나 이상의 기본 단위로 구성되어 있다고 이론화하기 시작했습니다. 그러나 대부분의 과학자들은이 단위가 알려진 가장 작은 원자 인 수소의 크기가 될 것이라고 벤처했다. 19 세기 말경, 조셉 존 톰슨 경과 같은 과학자들이 수행 한 연구 덕분에 그는 크게 변화 할 것입니다.
Thomson은 음극선 관 (Crookes 'Tube)을 사용한 일련의 실험을 통해 음극선이 전기장과 자기장에 의해 편향 될 수 있음을 관찰했습니다. 그는 빛으로 구성되지 않고 수소보다 1ooo 배 작고 1800 배 더 가벼운 음전하 입자로 구성되어 있다고 결론 지었다.
이것은 수소 원자가 물질의 가장 작은 단위라는 개념을 효과적으로 반증했고, 톰슨은 원자가 나눌 수 있음을 더 제안했다. 양전하와 음전하로 구성된 원자의 전체 전하를 설명하기 위해 Thompson은 음전하를 띤“유체”를 자두 푸딩 모델이라고하는 균일 한 양전하 바다에 분포시키는 모델을 제안했습니다.
이 소체는 나중에 1874 년 영국-아일랜드 물리학 자 George Johnstone Stoney에 의해 예측 된 이론적 입자에 기초하여“전자”로 명명 될 것입니다. 그리고 이로부터 Plum Pudding Model은 태어났습니다. 매화 케이크와 건포도. 이 개념은 1904 년 3 월 영국 판에서 세계에 소개되었습니다. 철학적 잡지, 널리 호평합니다.
표준 모델의 개발 :
후속 실험에서 자두 푸딩 모델에 대한 많은 과학적 문제가 밝혀졌습니다. 우선, 원자가 "양손 문제"로 알려진 균일 한 양의 배경 전하를 가지고 있음을 보여주는 문제가있었습니다. 5 년 후,이 모델은 알파 입자와 금박 (일명 일명)을 사용하여 일련의 실험을 수행 한 Hans Geiger와 Ernest Marsden에 의해 반증 될 것입니다. "금박 실험"
이 실험에서 Geiger와 Marsden은 형광 스크린으로 알파 입자의 산란 패턴을 측정했습니다. Thomson의 모델이 정확하면 알파 입자는 포일의 원자 구조를 방해받지 않고 통과합니다. 그러나 그들은 대신에 대부분을 똑바로 쏘는 동안 일부는 다양한 방향으로 흩어져 있고 일부는 소스 방향으로 되돌아 갔다고 지적했다.
가이거와 마스덴은 입자가 Thomson의 모델이 허용하는 것보다 훨씬 큰 정전기력을 경험했다고 결론 지었다. 알파 입자는 단지 헬륨 핵 (양으로 하전 됨)이기 때문에 원자의 양전하가 넓게 분산되지 않고 작은 부피로 농축되었음을 암시했습니다. 또한, 편향되지 않은 입자가 방해받지 않고 통과한다는 사실은 이러한 양의 공간이 거대한 빈 공간으로 분리되었음을 의미합니다.
1911 년 물리학 자 어니스트 러더퍼드는 가이거-마르 덴 실험을 해석하고 톰슨의 원자 모델을 거부했습니다. 대신 그는 원자가 대부분 빈 공간으로 구성된 모델을 제안했는데, 모든 양전하는 중앙에 매우 작은 부피로 집중되어 있으며, 이는 전자 구름으로 둘러싸여있다. 이것은 원자의 러더 포드 모델로 알려지게되었습니다.
Antonius Van den Broek와 Niels Bohr의 후속 실험은 모델을 더욱 세분화했습니다. 반 덴 브렉 (Van den Broek)은 원소의 원자 번호가 핵 전하와 매우 유사하다고 제안했지만, 후자는 원자가 양전하의 원자 번호를 포함하고 등가로 둘러싸여있는 태양계와 같은 원자 모델을 제안했다. 궤도 껍질의 전자 수 (일명 Bohr 모델).
전자 클라우드 모델 :
1920 년대 오스트리아의 물리학 자 Erwin Schrodinger는 Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld 및 기타 물리학 자들의 이론에 매료되었습니다. 이 기간 동안, 그는 취리히 대학교와 베를린의 Friedrich Wilhelm University (1927 년 플랑크의 성공)에서 연구하면서 원자 이론과 스펙트럼 분야에 참여했습니다.
1926 년 슈뢰딩거는 일련의 논문에서 파동 함수와 전자 문제를 다루었 다. 양자 시스템의 양자 상태가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 설명하는 부분 미분 방정식 인 슈뢰딩거 방정식 (Schrodinger equation)으로 알려진 것을 설명하는 것 외에도 특정 위치에서 전자를 찾을 가능성을 설명하기 위해 수학 방정식을 사용했습니다. .
이것은 Schrodinger 방정식뿐만 아니라 Electron Cloud (또는 양자 역학) 모델로 알려진 것의 기초가되었습니다. 모든 물질이 파동 함수와 관련된 특성을 가짐을 나타내는 양자 이론에 근거하여, 전자 구름 모델은 전자의 정확한 경로를 정의하지 않는다는 점에서 보어 모델과 다릅니다.
대신, 확률의 함수를 기반으로 전자 위치의 가능한 위치를 예측합니다. 확률 함수는 기본적으로 전자가 발견 될 가능성이있는 구름 같은 영역, 즉 이름을 나타냅니다. 구름이 가장 밀집된 곳에서는 전자를 찾을 확률이 가장 높습니다. 전자가있을 가능성이 적은 곳에서는 구름의 밀도가 떨어집니다.
이 밀집된 영역은 궤도 전자가 발견 될 가능성이 가장 높기 때문에 "전자 궤도"로 알려져 있습니다. 이“구름”모델을 3 차원 공간으로 확장하면 바벨 또는 꽃 모양의 원자가 보입니다 (위의 이미지 참조). 여기서, 분기 된 영역은 우리가 전자를 찾을 가능성이 가장 높은 영역입니다.
슈뢰딩거의 연구 덕분에 과학자들은 양자 역학의 영역에서 전자의 정확한 위치와 운동량을 동시에 알 수 없다는 것을 이해하기 시작했습니다. 관찰자가 입자에 대해 처음에 알고있는 것에 관계없이, 확률의 관점에서 후속 위치 또는 운동량 만 예측할 수 있습니다.
주어진 시간에 그들은 어느 쪽도 확인할 수 없습니다. 실제로, 입자의 운동량에 대해 더 많이 알수록 그 위치에 대해 더 적게 알 수 있으며 그 반대도 마찬가지입니다. 이것이 오늘날 "불확실성 원리"로 알려져 있습니다.
이전 단락에서 언급 한 궤도는 수소 원자에 의해 형성됩니다 (즉, 단지 하나의 전자로). 더 많은 전자를 가진 원자를 다룰 때, 전자 궤도 영역은 구형 퍼지 볼로 균등하게 퍼집니다. 여기에서‘전자 구름’이라는 용어가 가장 적합합니다.
이 기여는 보편적으로 20 세기의 비용에 중요한 기여 중 하나로 인식되었으며 물리, 양자 역학 및 실제로 모든 과학 분야에서 혁명을 일으켰습니다. 이후 과학자들은 더 이상 시간과 공간의 절대성이 특징 인 우주에서 일하지 않고 양자 불확실성과 시간-공간 상대성에서 일하고있었습니다!
Space Magazine에서 원자 및 원자 모델에 관한 흥미로운 기사를 많이 작성했습니다. John Dalton의 원자 모델은 무엇입니까?, 매화 푸딩 모델은 무엇입니까?, Bohr의 원자 모델은 무엇입니까?, 민주당 원은 누구입니까? 그리고 원자의 일부는 무엇입니까?
자세한 내용은 양자 역학이란 무엇입니까?를 확인하십시오. 라이브 과학에서.
천문학 캐스트에는 에피소드 130 : 라디오 천문학, 에피소드 138 : 양자 역학 및 에피소드 252 : Heisenberg 불확실성 원리와 같은 주제에 대한 에피소드도 있습니다.
