화학 기초 정리 - 원자의 세계 원자 모형 변천사, 평균 원자량, 보어의 원자모형, 수소의 선스펙트럼

원자모형의변천사 

1803년 돌턴 공모양입자 

1897년 톰슨 전자 발견 (플럼푸딩모형)

1911년 러더퍼드 원자핵발견

1913년 보어 전자의 궤도 운동 (궤도모형) 

1919년 러더퍼드 양성자발견

1926년 보른 전자를 확률로표현 (전자구름모형)

1932년 채드윅 중성자발견 

 

① 데모크리토스 입자설 + 돌턴의 원자설 (원자-중성)

 

② 톰슨 전자 발견 (음극선:질량이 있는 입자로 이루어져있다=> 모든 원자에 공통적으로 존재하는 입자)

 

③ 러더퍼드의 원자핵 발견 (a선=a입자 / +전하를 띠는 입자"원자핵")  

 

④ 러더퍼드의 양성자발견 (원자핵발견)

 

⑤ 채드윅 중성자 발견 

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원자의 세계 원자 모형 변천사, 평균 원자량, 보어의 원자모형, 수소의 선스펙트럼

 

원자번호는 양성자의 수와 전자의 수를 나타낸다. 

질량수 동위원소 

양성자, 중성자 => 질량이 비슷하다. (중성자 수가 다르면 동위원소)

*양성자 수가 달라지면 다른 원소가 된다.

전자 =>질량이 매우 작다

원자량 

-탄소의 질량을 12로 정하고 다른원자의 상대적 질량을 나타낸 것 

-탄소를 제외하고 모든 원자가 소수점 자리의 숫자를 가진다. (탄소를 기준으로 계산한 상대적 질량)

평균원자량 

-동위원소의 존재비율을 고려해서 계산한 원자량 (탄소의 평균 원자량 12.011)

-평균 원자량을 이용하면 원자드르이 상대적인 질량을 비교할 수 있다.

 

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1913년 보어 전자의 궤도 운동 (궤도모형) 

 

전자는 원자핵 주위의 원형 궤도(전자껍질)를 따라 돈다.= 수소원자의 선스펙트럼 설명하기 위해서임

 

선스펙트럼? 빛을 파장별로 분리했을 때 나타나는 불연속적인 띠 

 

라디오파 - 마이크로파 - 적외선 - 가시광선 - 자외선 - x선 -알파선

 

 

*가시광선은 눈으로 볼 수 있다!

햇빛을 분광기라는 장치에 통과시키면 햇빛에 포함된 모든 빛이 파장별로 분리해서 볼 수 있다.(무지개 = 연속스펙트럼)

 

선스펙트럼? 햇빛처럼 모든 파장의 빛을 가지고 있는게 아니라면, 프리즘에 빛을 통과시켰을 때 특정 파장의 빛만 나타나게 된다. 

 

수은이나 질소와 같은 기체를 방전관에 넣고 높은 전압을 걸어주면 종류에 따라 다른색이 방출된다.  (방전관, 질소방전관)

방출되는 빛을 분광기에 프리즘에 통과시키면 파장별로 분리되면서 서로 다른 선스펙트럼을 나타낸다. 

 

=> 특정파장의 빛만 나타나는 걸 선 스펙트럼이라고 한다. 

 

 

보어는 원자 중심에 + 전하를 띄는 원자핵이 있고, 원자핵 주변에는 여러개 궤도가 있으며 전자는 원자핵주위에 궤도(전자껍질K,L,M,N - 찰스글러버 바클라 )를 돌고 있다고 했다.

 

원자의 에너지 :  바깥껍질로 이동할 때 원자의 에너지가 계단처럼 불연속적으로 증가한다는 점 ! => 

위치에너지와 비슷하게 생각 할 수 있다. 

 

에너지가 불연속적으로 증가한다 -> 양자화 되어있다고도 한다. 

원자의 전자껍질도 양자화되어있어서 전자껍질은 특정한 에너지 준위(단계적인 에너지값)를 갖는다. 

전자가 바깥껍질에 존재할 수록 원자가 갖는 에너지가 더 커진다. (불안정한 상태->에너지를 방출하고 안정한 상태가 되려고한다) 

 

전자 전이

 

바닥상태 : 원자의 에너지가 낮은 상태 -> 높은 전압을 걸어주면 에너지를 흡수하여 전자가 들뜸! 

 

에너지흡수 

 

들뜬상태 : 바닥상태보다 더 높은 에너지를 가지는 전자껍질에 전자가 존재하는 상태 (불안정) 

 

에너지 방출 -> 빛 에너지를 방출하며 바닥상태로 돌아감 (선스펙트럼으로 나타남)

 

바닥상태 : 안정 

 

들뜬상태의 전자가 바닥상태로 돌아갈 때 두 껍질의 에너지 차이만큼 에너지를 방출한다.  (선스펙트럼으로 나타남)

 

전자껍질의 에너지는 양자화 되어 있어서 불연속적인 선스펙트럼이 나타난다.

 

 

* 들뜬전자가 어디껍질로 전이하냐에 따라스펙트럼을 3가지 영역으로 정의할 수 있다.

 

맨 처음 스위스 발머라는 수소방전관에 전압을 걸었을 때, 수소원자들의 전자가 다양한껍질로 들떴다가 

모두 두번째 껍질로 전이하면서 빛이 방출되었는데 이 빛을 통해 발머는 가시광선 영역에 해당하는 스펙트럼을 얻었으며 이를 발머계열 (n=2로 전이)

 

라이먼이라는 과학자는 방전관에 걸어주는 전압을 더 높였더니 에너지를 흡수한 전자가  다양한껍질로 들떴다가  모두 첫번째 껍질로 전이하면서 자외선영역에 해당하는 빛이 방출되었다  

이를 라이먼 계열 (자외선n=1로 전이)

 

 

파셀이라는 과학자는 라이먼과는 반대로 방전관에 걸어주는 전압을 낮췄더니 에너지를 흡수한 전자가  다양한껍질로 들떴다가    모두 세번째 껍질로 전이하면서 적외선 영역에 해당하는 빛이 방출되었다 

이를 파센계열 (적외선n=3로 전이)

 

에너지간격이 높을 수록 선의 간격이 좁아짐

 

 

-러더퍼드의 모형은 전자가 원자핵으로부터 모든 거리에 존재할 수 있다. => 연속스펙트럼이 나타난다. 

 

-보어의 모형은 껍질사이에는 전자가 존재하지 않는다. => 선스펙트럼이 나타난다. (파장이아니라 진동수로 나타내기도 함= 진동수와 파장은 반비례)

 

 

결론! 

보어의 원자모형은 전자는 원자핵 주위의 특정한 에너지 준위를 가진 원형궤도(전자껍질)를 따라돈다.

전자가 다른 전자껍질로 이동하면 에너지를 흡수하거나 방출한다

전자가 에너지 준위가 낮은 껍질로 전이할 때 방출하는 빛이 선 스펙트럼으로 나타난다.