1. 음극선관의 정의
연금술은 값싼 금속과 신비한 반응을 통해 금과 같은 귀금속을 만드는 기술입니다.
뉴턴도 이 연금술에 큰 관심을 보였고 만년에 연구했다고 한다.
이것을 잘 아는 학생들이 많은데 먼저 진행하기 전에 원자, 분자, 화학 반응에 대해 명확해야 합니다.
화학 반응은 물질이 혼합되어 다른 물질을 형성하는 과정입니다.
간단한 예로, 수소 가스를 태우면 물이 생성됩니다.
아시다시피 이것은 수소 기체와 산소 기체의 결합으로 물을 만드는 것입니다.
이때 수소 분자와 산소 분자가 결합하여 물 분자를 형성한다고 합니다.
화학 반응은 완전히 다른 분자 유형의 물질로부터 한 유형의 분자 물질이 생성되는 반응입니다.
그러나 얼음을 녹여 물을 만들고 물을 끓여 증기를 만드는 것은 화학 반응이라고 하지 않습니다.
그걸 리액션이라고 부르지도 않고 굳이 리액션이라고 해야 한다면 물리적 리액션이라고 부르는 게 좋을 것 같아요. 그것은 얼음, 물, 증기가 모두 같은 분자로 만들어졌기 때문입니다.
그러나 얼음의 경우 모든 분자가 단단히 결합되어 있고, 물의 경우 많은 분자가 분리되어 있으며, 수증기의 경우 개별 분자가 전혀 결합되지 않고 스스로 자유롭게 움직입니다.
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물의 경우 고체인 얼음, 액체인 물, 기체인 수증기뿐만 아니라 모든 물질이 이 세 가지 상태로 존재할 수 있다.
단지 물질이 고체, 액체, 기체로 존재하는 온도가 물질에 따라 다를 뿐입니다.
따라서 항상 고체로 존재하는 것 같던 철 덩어리도 열을 가하면 온도가 높아지면 액체가 되고, 온도가 높아지면 기체가 되고, 항상 기체로 존재하는 것 같던 산소도 온도가 낮아지면 액체에서 액체가 되고 온도가 더 낮아지면 고체가 됩니다.
분자를 더 분해하면 원자가 됩니다.
원자는 더 이상 물질의 속성을 갖지 않습니다.
물론 분자로서 하나의 원자로만 구성된 물질이 있습니다.
세상에는 물질의 종류도 많고 분자의 종류도 많지만 자연에서 자연적으로 발생하는 원자의 종류는 92가지뿐입니다.
가장 가벼운 원자는 수소이고 가장 무거운 원자는 우라늄입니다.
따라서 가벼운 순서대로 번호를 매기면 수소의 원자 번호는 1, 헬륨의 원자 번호는 2, 가장 무거운 우라늄의 원자 번호는 92입니다.
연금술을 공부하면서 학자들은 화학반응, 물질간의 관계에 대해 많은 것을 배웠고, 이러한 화학반응을 체계적으로 설명하기 위해 원자의 존재를 상정하고 원소주기율표 등 원자에 대한 많은 연구를 하였다.
그러나 원자 자체가 어떻게 존재하게 되었는지에 대한 질문은 18세기 후반에 일반적으로 J. Thomson이라고 하는 Thomson에 의해 전자가 발견된 후에야 가능해졌습니다.
백년 전. Thompson은 Rutherford가 공부한 Cavendish Institute의 책임자였습니다.
물질의 기본 단위는 분자이고, 분자는 원자로 구성되어 있지만, 원자와 무관해 보이고 원자보다 더 기본적으로 보이는 전자의 존재가 발견되었습니다.
이것은 당시의 학자들을 당혹스럽게 한 것 같습니다.
전자가 어떻게 발견되었는지 잠시 살펴보겠습니다.
18세기 말 유럽의 물리학자들은 그림 1.6과 같이 유리관에서 공기를 모두 빼내어 진공 속에 넣고 아르곤이나 네온과 같은 불활성 기체를 채운 다음 전압을 인가하였다.
오늘은 네온사인처럼. 박수를 받았습니다.
그 당시에는 매우 이상해 보였습니다.
Thompson은 진공 수준을 높이기 위해 튜브에서 더 많은 공기를 흡입하고 튜브의 양쪽에 매우 높은 전압을 적용했습니다.
이 실험을 수행하는 튜브를 음극선관이라고 합니다.
이것은 매우 놀라운 발견이었고, 전류가 흐를 때 흐르는 것임에 틀림없다.
그 흐름이 무엇인지 더 자세히 실험하면서 그것이 매우 작은 입자의 흐름이라는 것도 발견했습니다.
2. 음극 수락
톰슨은 그의 실험 결과를 바탕으로 음극선관에서 관찰되는 청색 전류를 음극선이라고 명명하고 음극선에 대해 다음과 같은 세 가지 가정을 세웠습니다.
첫째, 음극선관을 흐르는 음극선은 하전입자이다.
둘째, 이러한 입자는 원자에서 나옵니다.
셋째, 원자는 이러한 입자만을 포함합니다.
Thompson의 세 가지 가정 중 처음 두 가지는 나중에 옳았다는 것이 입증되었습니다.
그러나 마지막 3분의 1에서 러더퍼드가 원자의 중심에 핵이 있다는 것을 발견한 후 원자가 모두 전자라는 가설이 틀렸다는 것이 입증되었습니다.
하지만 세상 만물의 궁극적인 구성 요소는 원자라고 믿었지만 원자에도 더 작은 구성 요소가 포함되어 있다는 사실을 발견하면 대단하지 않을까요? 그러면 원자 내부가 어떻게 생겼는지 추측할 수 있습니다.
전자는 음전하를 띤 입자입니다.
그러나 모든 원자는 전기적으로 중성입니다.
따라서 원자가 전자만 포함하는 경우 원자는 음전하를 가져야 하지만 중성이기 때문에 원자도 양전하를 띤 물질을 포함해야 합니다.
그러나 전자와 같이 원자를 구성하는 양전하를 띤 존재는 그 당시에는 알려지지 않았습니다.
그래서 Thomson은 원자가 다음과 같을 것이라고 가정했습니다.
원자의 양전하는 구름처럼 원자 내부에 고르게 분포되어 있습니다.
그러나 이 물질은 질량이 없는 순수한 형태로 양전하를 띤다.
이 양전하 확산에는 음전하를 띤 전자가 포함됩니다.
이 원자 모델을 Thomson 원자 모델이라고 합니다.
이와 같은 모델은 그림과 같이 초콜릿이 듬성듬성 박혀 있는 초콜릿 칩 쿠키를 닮았다고 해서 아톰에서 초콜릿 칩 쿠키 모델이라고도 합니다.
Thomson의 초콜릿 칩 쿠키 원자 모델은 Rutherford가 원자핵을 발견한 직후 잘못된 것으로 밝혀졌지만 수명이 짧았지만 그 모델은 다양한 화학 반응의 원인을 그럴듯하게 설명했기 때문에 과학적이었습니다.
매우 인기있는 원자 모델이었습니다.