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가장 중요한 과학적 발견
원자의 행성 모델. 과학적 발견의 역사와 본질
최초의 원자론에서 달튼 세계는 영원하고 변하지 않는 특징적인 속성을 가진 특정 수의 원자 (기본 구성 요소)로 구성되어 있다고 가정했습니다. 이러한 생각은 전자의 발견 이후 크게 바뀌었습니다. 모든 원자는 전자를 포함해야 합니다. 그러나 전자는 어떻게 배열되어 있습니까? 물리학자들은 고전 물리학에 대한 지식을 바탕으로 철학을 할 수 있었고 점차 모든 관점이 다음이 제안한 하나의 모델로 수렴되었습니다. J. J. 톰슨. 이 모델에 따르면 원자는 양전하를 띤 물질로 구성되어 있고 전자가 산재되어 있어(아마도 많은 움직임으로) 원자가 건포도를 넣은 푸딩과 비슷합니다. Thomson의 원자 모델은 직접 테스트할 수 없었지만 모든 종류의 비유가 이를 입증했습니다. 1903년 독일의 물리학자 Philipp Lenard는 상호 균형을 이룬 양전하와 음전하로 구성된 일부 미발견 중성 입자가 "비행"하는 "빈" 원자 모델을 제안했습니다. Lenard는 존재하지 않는 입자에 다이너마이드라는 이름을 붙이기도 했습니다. 그러나 엄격하고 단순하며 아름다운 실험으로 실존의 권리가 증명된 것은 러더퍼드의 모형뿐이었습니다. 어니스트 러더퍼드 (1871-1937) 스코틀랜드 이민자 가족의 넬슨 (뉴질랜드)시 근처에서 태어났습니다. 당시 가족이 살았던 해블록에서 학교를 졸업한 후 그는 장학금을 받아 1887년에 입학한 넬슨 주립 대학에서 교육을 계속했습니다. 1892년 후, Ernest는 크라이체스터에 있는 뉴질랜드 대학의 분교인 캔터베리 대학에서 시험에 합격했습니다. 대학에서 Rutherford는 물리학 및 화학 교사 E.W. Bickerton과 수학자 J.H.H. 요리하다. 러더퍼드는 XNUMX년에 문학사 학위를 받은 후 캔터베리 대학에 남아 수학 장학생으로 학업을 계속했습니다. 이듬해 그는 최고의 수학과 물리학 시험에 합격하여 예술 석사가되었습니다. 1894년에 첫 번째 출판된 작품인 고주파 방전에 의한 철의 자화(Magnetization of Iron by High-Frequency Discharges)가 뉴질랜드 철학 연구소 회보에 실렸습니다. 1895년에 과학 교육을 위한 장학금이 비어 있었고 이 장학금의 첫 번째 후보자는 가족 문제로 거부되었으며 두 번째 후보자는 Rutherford였습니다. 영국에 도착한 Rutherford는 J. J. Thomson의 초청을 받아 케임브리지 캐번디시 연구소에서 일하게 되었습니다. 1898년 Rutherford는 몬트리올에 있는 McGill University의 교수직을 수락하여 우라늄 원소의 방사성 방출에 관한 일련의 중요한 실험을 시작했습니다. 캐나다에서 그는 근본적인 발견을 했습니다. 그는 토륨의 방출을 발견하고 소위 "유도된 방사능"의 본질을 밝혀냈습니다. Soddy와 함께 그는 방사성 붕괴와 그 법칙을 발견했습니다. 여기에서 그는 "방사능"이라는 책을 썼습니다. 그들의 고전적인 연구에서 Rutherford와 Soddy는 방사성 변환의 에너지에 대한 근본적인 질문을 다루었습니다. 라듐이 방출하는 k-입자의 에너지를 계산하면 "방사성 변환의 에너지는 분자 변환의 에너지보다 최소 20배, 심지어 백만 배 더 높다"는 결론에 도달합니다. Rutherford와 Soddy는 "원자에 숨겨진 에너지는 일반적인 화학 변형에서 방출되는 에너지보다 몇 배나 더 크다"고 결론지었습니다. 이 엄청난 에너지는 "우주 물리학 현상을 설명할 때" 고려되어야 한다고 생각합니다. 특히 태양 에너지의 불변성은 "태양에서 아원자 변환 과정이 일어나고 있다"는 사실로 설명할 수 있다. 몬트리올에서 러더퍼드가 연구한 방대한 범위 - 그는 "방사능"이라는 책을 제외하고 개인적으로 또는 다른 과학자들과 공동으로 66개의 기사를 발표했으며 러더퍼드는 일류 연구원으로 명성을 얻었습니다. 그는 맨체스터에서 그 자리를 차지하라는 초청을 받습니다. 24년 1907월 XNUMX일 러더퍼드는 유럽으로 돌아왔습니다. 그의 인생의 새로운 시기가 시작되었습니다. 1908년 러더퍼드는 "방사성 물질의 화학에서 원소의 붕괴에 대한 연구"로 노벨 화학상을 수상했습니다. 다음 해에 Rutherford는 Ernest Marsden에게 알파 입자가 금박에서 튕겨 나올 수 있는지 알아보도록 요청했습니다. Rutherford는 거대한 알파 입자가 금박을 통과할 때 약간의 굴절만 경험해야 한다고 절대적으로 확신했습니다. 그들 중 대부분은 실제로 호일을 통과했으며 약하게 벗어났습니다. 그러나 일부 알파 입자(Marsden이 지적한 바와 같이 약 20개 중 000개)는 90도 이상의 각도로 구부러졌습니다. Marsden은 Rutherford에게 이것에 대해 말하는 것을 두려워했고 처음에는 그의 실험에 실수가 없는지 신중하게 확인했습니다. Rutherford는 이러한 관찰 결과를 거의 믿지 않았습니다. 몇 년 후 Rutherford는 다음과 같이 회상했습니다. "아마 내 인생에서 경험한 것 중 가장 놀라운 사건이었을 것입니다. 마치 15인치 발사체를 티슈 페이퍼에 쏘았을 때 다시 되돌아와 당신을 명중시키는 것처럼 믿기지 않는 일이었습니다. ." 그러나 나는 믿을 수 없는 것을 믿어야 했고, 1911년에 러더퍼드는 금박에 의한 알파 입자의 산란에 대한 실험 결과는 알파 입자가 양전하를 띤 다른 입자로부터 매우 짧은 거리를 통과한다고 가정해야만 설명할 수 있다는 결론에 도달했습니다. 원자 크기보다 훨씬 작은 크기의 입자. 금 원자는 양전하를 띤 작은 핵과 주변 전자로 구성되어야 합니다. 이것은 원자핵에 대한 아이디어와 새로운 물리학 분야 인 핵 물리학의 탄생이었습니다. 이 아이디어는 1911년에 완전히 새로운 것은 아닙니다. 이것은 존스턴 스토니(Johnston Stoney), 일본 물리학자 나가오카(Nagaoka) 및 몇몇 다른 과학자들에 의해 더 일찍 제시되었습니다. 그러나 이러한 모든 가설은 순전히 추측에 불과한 반면 Rutherford의 아이디어는 실험에 기반을 두고 있었습니다. Rutherford가 원자의 행성 구조에 대한 아이디어로 이끈 실험 결과, 과학자는 1911년 XNUMX월에 출판된 "물질 내 알파 및 베타 입자의 산란 및 원자의 구조"라는 대규모 기사에서 설명했습니다. 영어 "철학 저널"에서. 전 세계의 물리학자들은 이제 또 다른 원자 구조 모델을 평가할 수 있었습니다. 이번에는 실험적으로 확실하게 확인되었습니다. 러더포드는 지칠 줄 모르는 사람이었습니다. 그런 다음 그는 새로운 연구에 착수했습니다. 그는 호일이 만들어지는 물질의 원자 핵의 전하에 따라 다른 각도에서 호일에 의해 편향된 알파 입자의 수를 결정하기 시작했습니다. 연구원들의 인내심은 보상을 받았습니다. 이러한 실험의 결과를 분석하여 Rutherford는 특정 각도로 편향된 알파 입자의 수를 표적 호일 물질의 핵 전하와 관련시키는 공식을 도출했습니다. 이제 알파 입자의 산란에 대한 실험에서 대상 물질의 특성을 결정할 수 있었습니다. 화학 분석의 첫 번째 핵 방법이 연구원의 손에 나타났습니다! 과학자들은 다양한 재료로 만들어진 표적의 거동을 비교하고 핵 전하가 클수록 더 많은 알파 입자가 직선 경로에서 벗어나는 것을 발견했습니다. 그리고 여기에서 처음으로 물리적 실험이 원소의 주기적인 법칙에 대한 비밀의 베일을 들어 올렸습니다. Rutherford의 실험에 따르면 멘델레예프 핵의 전하가 증가함에 따라 요소를 일렬로 배열하면 순열이 필요하지 않습니다! 물리학자들은 주기율표의 공식을 명확히 했습니다. 원소의 화학적 특성은 원소의 원자 질량이 아니라 핵의 전하에 주기적으로 의존합니다. 멘델레예프가 원소의 화학적 성질에 대한 그의 백과사전적 지식에 의존하여 원소를 배치한 순서대로 배열하는 것은 핵의 전하의 크기에 따른 것입니다. 전자가 거대한 핵에 떨어지는 것을 막는 것은 무엇입니까? 물론 주위를 빠르게 회전합니다. 그러나 핵 분야에서 가속으로 회전하는 과정에서 전자는 에너지의 일부를 모든 방향으로 방출하고 점차 감속하지만 그럼에도 불구하고 핵에 떨어집니다. 이 생각은 원자의 행성 모델의 저자를 괴롭혔습니다. 새로운 물리적 모델을 만드는 과정에서 다음 장애물은 원자 구조의 전체 그림을 파괴하는 것 같았습니다. Rutherford는 해결책이 발견될 것이라고 확신했지만 그렇게 빨리 해결될 것이라고는 상상하지 못했습니다. 원자의 행성 모델의 결함은 덴마크 물리학자 Niels Bohr에 의해 수정될 것입니다. 세계의 과학자들이 원자 구조에 관한 Rutherford의 기사와 함께 "Philosophical Journal"의 문제를 받는 것과 거의 동시에, XNUMX세의 Niels Bohr는 금속의 전자 이론에 대한 그의 논문을 성공적으로 방어했습니다. 코펜하겐 대학에서. 덴마크 물리학자 Niels Henrik David Bohr(1885-1962)는 Christian Bohr와 Ellen(nee Adler) Bohr의 세 자녀 중 둘째로 코펜하겐에서 태어났습니다. 그의 아버지는 코펜하겐 대학교의 유명한 생리학 교수였습니다. 그는 코펜하겐의 Gammelholm Grammar School에서 공부하고 1903년에 졸업했습니다. 유명한 수학자가 된 Bohr와 그의 형제 Harald는 학창 시절에 열렬한 축구 선수였습니다. 나중에 Nils는 스키와 항해를 좋아했습니다. 학교에서 Niels Bohr가 일반적으로 평범한 능력을 가진 학생으로 간주되었다면 코펜하겐 대학에서 그의 재능은 곧 자신에 대해 이야기하게 만들었습니다. Niels는 유능한 연구원으로 인정 받았습니다. 워터 제트의 진동으로 물의 표면 장력을 결정하는 그의 졸업 프로젝트는 덴마크 왕립 과학 아카데미에서 금메달을 획득했습니다. 1907년에 그는 학사가 되었습니다. 1909년 코펜하겐 대학에서 석사 학위를 받았다. 금속의 전자 이론에 관한 그의 박사 학위 논문은 뛰어난 이론적 연구로 간주되었습니다. 1911년 보어는 전자의 발견자인 J. J. 톰슨의 연구실에서 몇 달 동안 일하기 위해 케임브리지로 가기로 결정했습니다. Niels의 어머니와 그의 형제 Harald는 그 아이디어를 승인했습니다. 아마도 그의 약혼자 마가렛은 그다지 행복하지 않았지만 그녀도 동의했습니다. 그런 다음 Bohr는 Rutherford의 모델을 골똘히 숙고하고 모든 의심에도 불구하고 자연에서 분명히 일어나는 일에 대한 설득력 있는 설명을 찾았습니다. 전자는 핵에 떨어지지 않고 핵에서 날아가지 않고 끊임없이 핵 주위를 회전합니다. K. Manolov와 V. Tyutyunnik이 "원자 전기"라는 책에서 쓴 내용은 다음과 같습니다. "수소가 전자를 하나만 가지고 있다면 여러 파장의 광선을 방출한다는 사실을 어떻게 설명할 수 있습니까?" 보르는 생각했다. 그는 다시 니콜슨의 이론으로 돌아갔다. 스펙트럼의 계산된 파장 비율과 관찰된 파장 비율 사이의 탁월한 일치는 이 이론을 지지하는 강력한 논거입니다. 그러나 Nicholson은 복사 주파수를 기계 시스템의 진동 주파수로 식별합니다. 그러나 주파수가 에너지의 함수인 시스템에서는 방사 중에 주파수가 변경되기 때문에 유한한 양의 균질 방사를 방출할 수 없습니다. 또한 Nicholson이 계산한 시스템은 일부 모드 형상에 대해 불안정합니다. 마지막으로 Nicholson의 이론은 Balmer와 Rydberg의 연속 법칙을 설명할 수 없습니다. - 한센, 답이 있는 것 같아요! 보르가 말했다. - 제가 도출한 원자 내 전자궤도의 안정성 조건의 도움으로 궤도 내 전자의 속도, 반지름, 임의의 궤도 내 전자의 총 에너지를 계산할 수 있습니다. 또한 모든 수식에는 동일한 정수 값 1, 2, 3, 4 등을 취하는 소위 양자 수라는 동일한 요소가 포함됩니다. 이러한 각 숫자는 궤도의 특정 반경에 해당합니다 ... - 보어는 잠시 멈추고 계속했다. -물론 이제 모든 것이 명확합니다. 원자는 특정 정지 상태에서만 에너지를 방사하지 않고 존재할 수 있으며 각 정지 상태는 고유한 에너지 값을 특징으로 합니다. 전자가 한 궤도에서 다른 궤도로 이동하면 원자는 특별한 부분인 양자의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수합니다.. - 그게 비밀이야! 한센이 소리쳤다. - 그래서, 원자의 스펙트럼은 그 구조를 반영합니다! - 이제 모든 것이 제자리에 있습니다. 수소 원자가 여러 유형의 광선을 방출하는 이유는 분명합니다. 핵에 가장 가까운 것부터 시작하여 궤도에 번호를 매기면 전자가 네 번째에서 첫 번째로, 세 번째에서 첫 번째로, 세 번째에서 두 번째 궤도 등으로 점프한다고 말할 수 있습니다. 해당 파장의 빛이 방출됩니다. 양적 의존성을 찾을 수 있기를 진심으로 바랍니다 ... 1913년에 Niels Bohr는 장황한 반성 및 계산 결과를 발표했으며 그 중 가장 중요한 것은 이후 Bohr의 가정으로 알려지게 되었습니다. , 그것에 작용하는 모든 힘이 균형을 이루고 있기 때문에; 전자는 하나의 안정한 궤도에서 똑같이 안정한 다른 궤도로만 원자 내에서 이동할 수 있습니다. 이러한 전이 중에 전자가 핵에서 멀어지면 외부에서 상부 궤도와 하부 궤도에서 전자의 에너지 보유량의 차이와 동일한 일정량의 에너지를 전자에 부여해야합니다. 전자가 핵에 접근하면 초과 에너지를 방사선 형태로 "재설정"합니다. 아마도 보어의 가정은 한 가지 중요한 상황이 아니었다면 러더퍼드가 얻은 새로운 물리적 사실에 대한 여러 흥미로운 설명 중에서 적당한 위치를 차지했을 것입니다. 보어는 그가 발견한 관계를 사용하여 수소 원자의 전자에 대해 "허용된" 궤도의 반지름을 계산할 수 있었습니다. 이러한 궤도에 있는 전자의 에너지의 차이를 알면 다양한 여기 상태에서 수소의 복사 스펙트럼을 설명하는 곡선을 구성하고 과량의 에너지가 공급될 때 수소 원자가 특히 쉽게 방출해야 하는 파장을 결정할 수 있었습니다. 예를 들어, 밝은 수은등의 도움으로 외부. 이 이론적인 곡선은 1885년 스위스 과학자 J. Balmer가 측정한 여기된 수소 원자의 방출 스펙트럼과 완전히 일치했습니다! 원자의 행성 모델은 강력한 지지를 받았고, 러더퍼드와 보어는 점점 더 많은 지지를 받았습니다. 저자: Samin D.K.
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