Transcript 강의록_07.
제7장: Thomson과 Rutherford의 원자모형 7.1. 물질이 가진 전기적 성질의 발견 7.2. 캐쏘드선 실험과 전자의 발견 7.3. 애노드선 실험과 양성자의 발견 7.4 Thomson의 원자 모형 7.5 방사선 원소와 자연 복사 7.6 동위원소와 중성자의 발견 7.7 Rutherford의 원자 모형 1 2 7.1 물질이 가진 전기적 성질의 발견 ▪ 정전기: Benjamin Franklin, Luigi Galvani Luigi Galvani (1737-1798) 개구리 근육을 정전기로 자극 3 ▪ 전지 Volta pile Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827) 두 종류의 금속판들 사이에 산 수용액에 적신 두꺼운 마분지를 삽입한 상태로 쌓 아 만든 파일 형태 4 ▪ 전기분해 • 다양한 화합물의 전기분해 • 물의 전기분해 William Nicholson (1753-1815) Anthony Carlisle (1768-1842) Michael Faraday (1791-1867) 5 7.2 캐쏘드선 실험과 전자의 발견 7.2.1 전기방전관을 사용한 실험 완전한 진공은 아니고 약간의 기체 존재. 기체의 종류에 따라 빛의 색이 달라진다. Eugene Goldstein (1850-1930) William Crookes (1832-1919; 1861) Crookes tube • 유리관 내부의 전극들 사이에 얇은 금속판을 놓아 두면 금속판이 빨갛게 달 아오른다. → 어떤 물질이 흐르고 있다는 증거. • 유리관 내부에 황화 아연과 같이 인광을 방출할 수 있는 물질을 놓아 두면 그 물질의 표면에서 전극들 사이를 흐르는 물질이 도달하는 경로를 따라 빛이 방출. 6 7.2.2 진공상태의 전기방전관을 사용한 Thomson의 실험 완전한 진공 상태의 전기 방전관을 이용한 실험: J. J. Thomson (1897) 완전한 진공 Sir Joseph John Thomson (1856-1940) -1906 Nobel prize in physics (전자의 발견) 7 ▪ 캐쏘드선cathodic ray: 캐쏘드에서 발생하여 애노드로 향하는 물질의 흐름 • 캐쏘드선은 직진한다. • 자기장에 의해 휜다. Crookes tube 음전기를 띤 입자 • 전기장에 의해 휜다. F F q( E v B) B : Lorentz force qv 8 • 음극에 사용된 금속의 종류에 무관 → 모든 금속에 들어있는 입자이다. 전자electron 결론: 캐쏘드선은 음으로 하전된 입자들인 전자들로 이루어져 있으며, 전기 방전관의 음극으로부터 방출된 후 아주 높은 에너지를 소 유한 채 양극 쪽으로 직진한다. 9 7.2.3 전자는 어떤 입자일까? 전자의 발견은 어떤 의미를 가지는가? ▪ 전자의 전하(e)와 질량(m) 사이의 비(e/m)를 구하는 실험 e/m ratio E B v F e( E v B) Lorentz force F ↑ if E = 0 or E < vB 0 if E = vB ↓ if E > vB 10 r r- a E b 전자 a B B B 0, E 0 B 0, E 0 (r a) 2 b 2 r 2 E vB v E B0 a 2 b2 a b 2ra r 2a 2 2 a, b는 측정 → r을 안다. 원운동이므로 v2 F evB m r mv B er (원심력) E (직선일 조건) B mv m Br B 2 r B er e v E e E E ( 2a ) 2 2 2 m B r B (a b 2 ) 비전하specific charge라고도 함 측정치: 1.786×108 C/g 11 ▪ 전자의 전하(e) 를 구하는 실험: Millikan (1909) oil drop experiment qE mg 정지 조건: mg qE 12 V qE r d r 전기장이 없을 때: 기름방울은 공기의 마찰에 의해 종속도(v1)에 도달 Stokes’ law: 마찰력F d 6rv1 4 중력: W r 3 g oil air 3 종속도는 등속이므로 알짜힘(Fd - W)이 0: 4 9v1 6rv1 r 3 g r 2 3 2 g mg 4 3 4 9v1 0 따라서 기름방울의 질량: m r 3 3 2 g 3/ 2 g, r, h는 아는 값이므로 v1을 측정하면 질량을 알 수 있다. 전기장을 걸어 방울을 정지시키면 mg = qE = qV/d → q 측정 결과 q는 1.602×10-19 C의 정수배 기본 전기량 (전자의 전하) mdg V 13 7.3 애노드선 실험과 양성자의 발견 7.3.1 애노드선의 발견 ▪ 양극선: Eugen Goldstein (1886) -극 쪽으로 휜다 → 양전하 anode ray 음극선(전자)이 관 속의 기체(완전 진공은 아님)와 충돌하여 양전기를 띤 입자를 생성 → -극인 음극 (cathode)으로 끌려가 음극판의 구멍 사이로 빠져 나간다. 14 7.3.1 애노드선을 구성하는 입자들에 관한 연구 ▪ 양극선의 정체: Wilhelm Wien (1898) • 양극선을 구성하는 입자들의 q/m 값은 음극선의 경우와는 다르게 사용한 기체의 종류에 따라 달라진다. → 질량이 다르기 때문 • 어떠한 기체를 사용하든 양극선을 구성하는 입자의 q/m 값은 음 극선을 구성하는 전자의 q/m 값에 비해 수천 배 가량 더 작다. → 전자보다 훨씬 무겁다. • 수소 기체를 사용하여 얻은 q/m 값이 가장 크다. → 양성자proton H + e → H+ + 2e He + e → He+ + 2e 15 7.4 Thomson의 원자 모형 Plum Pudding Model 16 7.5 방사선 원소와 자연 복사 7.5.1 핵반응을 다루는 핵화학의 등장 물질 빛 광발광 방사성원소 A. Henri Becquerel (1852 –1908) 자연복사(방사선) Marie Curie (1867 –1934) 17 7.5.2 자연 방사선의 세 가지 구성 요소와 방사성 붕괴 He2+ 전자파 e 18 7.6 동위원소와 중성자의 발견 7.6.1 동위원소 ▪ 질량분석기mass spectrometer mv 2 qvB r m v r q B m/q가 r에 비례 가속되어 나오는 순간의 속도 v 19 ▪ 동위원소isotope의 발견 J. J. Thomson의 실험 (1912) 10 Ne의 동위원소 1 20 ▪ 평균원자량 동윈원소 i의 몰질량 평균원자량 Bi M i i 동윈원소 i의 존재몰분율 [예제 7.2] 자연계의 탄소에는 원자량이 12.00000인 C-12가 98.89%, 원자량이 13.00335인 C-13이 1.11% 포함되어 있다. 탄소 의 (평균)원자량을 구하시오. 21 7.5.2 중성자 ▪ Rutherford가 가진 의문 질량이 22인 Ne 원자와 질량이 20인 Ne 원자로부터 생겨나는 이온의 전하가 같은 이유는 무엇인가? • 질량과 무관하게 같은 전하를 가진 Ne이온이 만들어지므로 각 Ne 원자를 구성하는 양성자의 수는 서로 같은 것이다. • 양성자의 수는 같고 질량은 달라야 하므로 핵 속에는 전기적 으로 중성이면서 질량이 큰 입자가 있어야 한다. 중성입자 = 양성자 + 전자의 형태??? ▪ 중성자의 발견: James Chadwick (1932) 22 ▪ 동위원소의 표기법 질량수 (양성자의 수+중성자의 수) 원자번호 (양성자의 수) A Z X 원소기호 23 [예제] 양성자수 4 2 He 13 6 C 235 92 U 16 8 O 2 23 11 Na 19 9 F 전자수 중성자수 24 7.7 Rutherford의 원자 모형 7.7.1 원자핵의 존재를 확인한 Rutherford의 금박 실험 • a 입자들 대부분은 금박을 직진하여 통과한다. → 대부분이 빈 공간 • a 입자들 중 일부는 그 진행 경로가 휘어진다. → 무거운 작은 크기의 양전 하(금 원자핵)가 존재하여 a 입자가 근처를 지날 때 전기적 반발로 휜다. • a 입자들 중 극히 일부는 거꾸로 반사된다. → 무거운 작은 크기의 양전하 가 존재 gold foil experiment 25 7.7.2 Rutherford의 원자 모형 “핵원자”nuclear atom Ernest Rutherford (1871-1937) 1908년 노벨 화학상 (a 입자의 성질에 관한 연구로 노벨상을 수상한 후에 금박실험) 26 반지름: 1×10-15 m 1×10-10 m 분자의 크기 측정 원자가 반경 100 m인 운동장이라면 핵은 반경 1 mm의 좁쌀. 그러나, 원자의 질량은 핵의 질량이 거의 전부 [숙제] 수소 원자와 수소원자핵의 밀도는 대략 몇 g/cm3인가?