전자 구름은 전자를 찾을 확률이 가장 높은 원자의 핵을 둘러싼 확률의 구름입니다.
원자를 생각할 때, 당신의 마음은 아마도 전자가 많은 전자가 그 주위에 회전하는 중앙 핵의 이미지를 불러 일으킬 것입니다. 그것이 우리가 수많은 공상 과학 쇼, 만화 및 영화에서 본 이미지입니다. 그것이 우리가 우리의 모든 생애에서 우리가 두뇌에서 강화 한 원자의 이미지입니다. 만화책 Hero Atom 조차도이 고전적인 원자 이미지를 사용하여 자신을 표현하기로 결정했습니다.
원자는 중앙 핵 주위에 회전하는 전자 무리로 널리 알려져 있습니다 (사진 크레디트 :Yurchanka Siarhei/Shutstock)
그러나이 문제에 대한 지속적인 연구가 과학계를 깨닫게되면서 실제로 원자가 어떻게 보이는지는 아닙니다. 혼란스러운? 나를 믿으십시오. 처음에는 나도 그랬습니다. 나는 항상 전자가 밀도가 높은 핵 주위에 완벽하게 둥글고 작은 구가 돌출되었다고 가정했습니다. 결과적으로, 그 표현은 원자의 진정한 이미지에 대한 정의가 거의 없습니다.
원자는 양성자와 중성자로 구성된 중심 핵을 갖는다. 주변은 전자가 가장 높은 기회를 갖는“확률의 안개”입니다. 면적이 밀도가 높을수록 전자를 찾을 가능성이 커집니다. 이 조밀 한 확률 안개는 전자 구름 라고합니다. .
전자가 발견 될 가능성이 가장 높은 핵 주변의 영역을 전자 구름이라고합니다 (사진 신용 :Dani3315/Shutterstock)
호기심 많은 성향을 가진 사람들 (나와 같은)은 아마도 그러한 단순한 설명에 만족하지 않을 것입니다. 전자 구름의 안개가 자욱한 경로를 더 아래로 내려 가고 싶지만 원자 내부의 전자에 대한 가장 초기의 이해에서 시작하여 그곳에서 진행하겠습니다.
원자의 플럼 푸딩 모델
1910 년까지 과학자들은 원자의 두 가지 주요 구성 요소, 양으로 하전 된 양성자 및 음으로 하전 된 전자를 발견했습니다 (중성자는 1932 년 제임스 채드윅에 의해 발견되었습니다). 그러나 배심원은이 입자들이 원자 내에서 어떻게 조직되었는지에 대해 여전히 벗어났습니다. 첫 번째 설명 중 하나는 J. J. Thompson에 의해 주어졌으며, 그는 전자와 양성자가 원자 안에 균등하게 퍼져 있으며, '매화 푸딩'과 다소 유사한 형태로 말입니다.
플럼 푸딩 모델에서, 전자와 양성자는 원자 내에 균일하게 분포되는 것으로 가정되었다 (사진 신용 :공개 도메인/Wikimedia Commons)
Rutherford의 원자 모델
톰슨의 가설을 테스트하기 위해 어니스트 러더 포드 (Ernest Rutherford)는 세계적으로 유명한 금 포일 실험을 수행하여 알파 입자로 금 포일 조각을 폭격했습니다.
Rutherford의 금 포일 실험 설정 (사진 크레디트 :Sergey Merkulov/Shutterstock)
플럼 푸딩 모델이 실제로 정확하다면, 알파 입자의 편향은 거의 없거나 전혀 없을 것이다. 그러나 Rutherford는 일부 알파 입자가 바로 통과했지만 중단되지 않았지만 일부는 원래 지점으로 다시 반등했음을 관찰했습니다. 이러한 불일치로 Rutherford는 원자의 새로운 모델을 제안하게되었습니다. 입자가 중단되지 않은 상태에서 통과 된 영역은 크게 비어있는 것처럼 보였고, 편향되거나 반등 한 지점은 원자의 전체 질량의 높은 농도를 유지하는 것처럼 보였다. 따라서 그는 대중 매체에서 볼 수있는 고전적인 원자 모델, 즉 전자로 둘러싸인 중앙 핵에서 볼 수있는 플럼 푸딩 모델을 버렸습니다.
Rutherford의 모델에서 전자는 임의의 궤도로 핵 주위에 회전했습니다 (사진 크레디트 :Tschub/Shutterstock)
Bohr의 원자 모델
Rutherford의 모델은 널리 수용되었지만 그의 학생 중 한 명인 Neils Bohr는이 모델을 더욱 세분화했습니다. 그는 원자를 둘러싼 전자가 임의로 회전하지 않는다는 것을 증명했다. 오히려, 그들은 매우 특정한 에너지 수준에서 잘 정의 된 궤도에서 회전합니다. 즉, 궤도는 양자화됩니다. 이 증거를 통해 Bohr의 원자 모델은 수소 스펙트럼과 같은 특정 현상을 설명 할 수있었습니다. 그러나 그것은 완전히 다른 토론입니다.
Bohr의 모델에서 전자 궤도가 양자화되었습니다 (사진 신용 :Sophielaliberte/Shutterstock)
전자 구름
이 모델들 각각은 수십 년 동안 과학계를 당황시킨 대부분의 신비를 설명했습니다. Bohr의 양자화 된 궤도 모델은 너무 직관적이어서 완벽 해 보였습니다. 그러나 양자 역학이 밝혀진 것처럼 모델은 현실과는 거리가 멀었습니다. 원자의 모든 이전 모델은 전자가 행성 시스템과 같이 핵 주위에 잘 정의 된 질량이있는 입자라고 가정했다. 그러나 실제로 전자는 핵을 둘러싼 확률의 조밀 한 구름과 비슷합니다.
확률의 전자 구름으로 둘러싸인 핵 (사진 크레디트 :Media Whalestock/Shutterstock)
전자는 측정 가능한 운동 에너지와 운동량을 가지고 있지만 혁명의 유사성을 나타내지는 않습니다. 전자는 단순히 조밀 한 안개처럼 원자의 핵을 둘러싸고 있습니다. 그러나 한 가지를 명확하게하겠습니다. 전자는 안개 속에서 찾을 수있는 애매한 입자가 아닙니다. 너무 빨리 움직여 흐릿한 구름처럼 보이는 목표가 아닙니다. 실제로 전자 은 입니다 클라우드.
전자 구름에 질량이 있습니까?
우리는 전자가 핵 주위에서 회전하는 완벽한 구체가 아니라 짙은 흐린 확률 영역이라는 것을 확립했습니다. 그렇다면 어떻게 질량을 확인할 수 있습니까? 전자 구름에 질량이 있습니까? 과학 교과서는 전자의 질량이 9.11 x 10–31 kg의 큰 대담한 글꼴로 자신있게 설명합니다. 이것은 사실입니다.
그러나 이것은 전체 구름의 무게가 9.11 x 10–31 kg의 무게를 맞이합니까? 예. 클라우드의 일부는 어떻습니까? 구름의 일부에 전자보다 적은 질량이있을 수 있습니까? 설마.
여기에서 상황이 조금 안타깝습니다. 작은 숟가락이 있다고 가정 해 봅시다. 그 숟가락을 가져 와서 전자 구름 영역의 25%에 담그십시오. 그런 다음 숟가에게 9.11 x 10–31 kg의 25%에 해당하는 무게가 포함되어 있습니까? 숟가락이 전자 구름의 25%를 보유 할 때 숟가락은 9.11 x 10–31 kg의 전자 질량을 포함 할 25% 확률을 가지고 있습니다. 당신은 전체 전자를 소유하거나 그 중 어느 것도 가지고 있지 않을 수 있습니다. 클라우드로 표현 되었음에도 불구하고 클라우드가 물리적이지 않기 때문에 부분적으로 분해 될 수 없습니다. 구름은 전자의 실제 상태를 설명하는 가장 좋은 방법 일뿐입니다.
물론 이것은 전자 구름에 대한 매우 단순화 된 설명이었습니다. 양자 역학의 복잡한 세계는 수학적으로 전자 구름을 확률에 의해 지배되는 양자 파 함수로 나타냅니다. 그러나 그러한 수학은이 작품의 범위 밖에서 보입니다. 여기서 나의 목표는 단지 그것이 진정으로“전자”를 시각화하는 데 도움이되는 것이 었습니다.
따라서 다음에 누군가가 원자를 생각 해달라고 요청할 때 중심 핵을 중심으로 회전하는 구식의 부정확 한 이미지를 불러 일으키지 마십시오. 대신 전자 구름을 생각해보십시오!
