원자의 구조와 스펙트럼 · AtomLab

α 입자 산란 실험

톰슨은 원자를 균일한 양전하 덩어리에 전자가 건포도처럼 박혀 있는 것으로 보았습니다(‘건포도 푸딩’ 모형). 그렇다면 금박을 지나는 α 입자는 아주 조금만 휘어야 합니다.

가이거와 마스든은 방사선원의 α 입자를 아주 얇은 금박에 쏘고, 황화 아연 형광 스크린의 섬광을 현미경으로 세었습니다: 대부분의 α 입자는 거의 곧게 나아갔고, 일부는 큰 각도로 휘었으며, 아주 드물게(약 8000분의 1) 90° 넘게 휘어 거의 되돌아온 것도 있었다. 러더퍼드는 이로부터 원자핵 모형을 제안했습니다.

스크린을 돌려 여러 각도에서 1분씩 세어 보고, 원자 크기로 들어가 정면 충돌을 기다려 보세요. 전기장 속 전자의 휘어짐은 FieldLab에서 볼 수 있습니다.

수소 원자 스펙트럼

방전관 속 수소는 장밋빛 보라색으로 빛납니다. 회절 격자를 통과한 빛은 연속된 무지개가 아니라 몇 개의 떨어진 밝은 선——선 스펙트럼입니다. 원소마다 지문처럼 고유한 선이 있습니다.

격자는 1 mm에 600개의 홈이 있고, 1차 밝은 선은 d sin θ = λ를 만족합니다. 망원경을 돌려 접안렌즈의 십자선에 선을 맞추고 각도를 기록하면 파장을 구할 수 있습니다. 발머는 수소의 가시선 네 개가 1/λ = R(1/2² − 1/n²)을 만족함을 발견했습니다. R을 뤼드베리 상수라고 합니다.

격자의 원리는 OpticsLab에서, 광자 하나의 에너지 hν는 PhotonLab에서 볼 수 있습니다.

보어 모형과 에너지 준위 전이

보어는 전자가 특정한 궤도에서만 움직일 수 있고, 원자가 이런 정상 상태에 있을 때는 복사하지 않는다고 제안했습니다. 수소 원자의 에너지는 Eₙ = −13.6 eV / n², 궤도 반지름은 rₙ = n²r₁입니다.

원자가 높은 준위 m에서 낮은 준위 n으로 전이하면 광자 하나를 내놓고, hν = Eₘ − Eₙ입니다. 반대로 준위 차와 정확히 같은 에너지의 광자만 흡수됩니다. n = 2로 떨어지는 전이가 바로 2과의 발머선입니다. 13.6 eV를 넘으면 전자가 원자 밖으로 튀어나갑니다(이온화).

오른쪽 에너지 준위도의 준위를 클릭하면 꼭 맞는 광자를 쏩니다. 보어 모형은 전자가 많은 원자를 설명하지 못합니다. 전자의 실제 모습은 OrbitalLab의 전자구름에서 볼 수 있습니다.

프랑크–헤르츠 실험

필라멘트(음극)에서 나온 전자는 가속 전압 U로 가속되고, 그리드를 지난 뒤에는 작은 저지 전압을 이겨야 판에 닿습니다. 관 안에는 수은 증기(또는 네온)가 들어 있습니다.

전자의 운동 에너지가 수은 원자의 첫 들뜬 에너지 4.9 eV보다 작을 때는 수은 원자와 탄성 충돌만 하여 에너지를 거의 잃지 않습니다. 4.9 eV에 이르면 그 에너지를 통째로 수은 원자에게 주고 거의 멈춰 판에 닿지 못하므로 전류가 떨어집니다. 그래서 전류는 약 4.9 V마다 떨어집니다. 들뜬 수은 원자는 253.7 nm의 자외선(4.9 eV의 광자)을 냅니다.

네온관으로 바꾸면 들뜬 에너지는 약 18.7 eV이고, 들뜬 네온 원자는 주황색 빛을 내므로 관 속에서 빛의 띠를 직접 볼 수 있습니다. 광자의 에너지는 PhotonLab에서 다룹니다.

형성 평가

네 가지 주제를 되돌아보고 아래 객관식 문제를 풀어 보자.